DE69723616T2

DE69723616T2 - Bildaufnahmegerät

Info

Publication number: DE69723616T2
Application number: DE69723616T
Authority: DE
Inventors: Corp Kyoto Shimadzu; Takeharu Etoh
Original assignee: Etoh Takeharu Mino; Shimadzu Corp
Current assignee: Etoh Takeharu Mino; Shimadzu Corp
Priority date: 1996-05-21
Filing date: 1997-05-21
Publication date: 2004-06-09
Anticipated expiration: 2017-05-22
Also published as: EP0809393B1; EP0809393A3; KR970078455A; US6118483A; CN1171011A; DE69723616D1; TW326120B; EP0809393A2

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Bildabtasteinrichtung und insbesondere eine Bildabtasteinrichtung, die zur Hochgeschwindigkeitsbildabtastung in der Lage ist, geeignet für wissenschaftliche Messungen, wie zum Beispiel Messungen von ultrahochgeschwindigkeitsbewegten Objekten wie Raketen, Explosionen, Zerstörungen, Wirbelströmungen, Entladungsphänomene und Bewegungen von Mikroorganismen unter einem Mikroskop.
Als diese Art von Bildabtasteinrichtungen ist beispielsweise eine Mehrrahmenkamera vom Bildwandlertyp bekannt (auf die nachstehend Bezug genommen wird als Bildwandlerkamera). Die Bildwandlerkamera nimmt ein System an, das in einem Bildabtastprozess, in dem ein bei einem photorezeptiven Bereich in Elektronen gewandeltes Bild mit einer Elektronenkanone auf eine fluoreszierende Oberfläche aufgestrahlt wird, wobei die fluoreszierende Oberfläche aufgeteilt ist in eine Vielzahl von Bereichen und ein Elektronenstrom nacheinander zu der Vielzahl von Bereichen derart abgestrahlt wird, dass kontinuierliche Bildrahmen auf einem Schirm angezeigt werden. Diese Bildwandlerkamera hat in den meisten Fällen einen Bildintensivierer vom Mikrokanalplattentyp (der nachstehend MCP-Typ II abgekürzt wird) hinter dem photorezeptiven Bereich angeordnet und vor der fluoreszierenden Oberfläche, so dass einfallendes Licht intensiviert wird. Die Rahmenrate der Bildwandlerkamera ist um 3 × 10⁷ Rahmen pro Sekunden (Rahmen/s) und die Anzahl von Bildrahmen, die kontinuierlich eingefangen werden kann (die Anzahl kontinuierlicher Bildrahmen) ist etwa 10.
Der Erfinder der vorliegenden Erfindung hat bereits eine Hochgeschwindigkeitsvideokamera bereitgestellt, die eine MCP-Typ II umfasst, wobei parallel von Bildpunkten, bzw. Pixeln gelesene elektrische Signale seriell in außerhalb des Bildsensors bereitgestelltem Speicher gespeichert werden, ohne ein Bild auszubilden und die im Speicher gespeicherten Signale nach dem Fertigstellen der Bildabtastung in das Bild ausgebildet werden derart, dass die Videokamera in der Lage ist, eine Hochgeschwindigkeitsabtastung von 4500 Rahmen/s zu implementieren ("4.500 Rahmen/s Hochgeschwindigkeits-Videokamera", Takeharu ETOH, the Journal of Television Society, Band 46, Nr. 5, Seiten 543–545, 1992, in japanischer Sprache).
Ferner hat der Erfinder der vorliegenden Erfindung eine Bildabtasteinrichtung vorgeschlagen in der japanischen Patenoffenlegungsschrift mit der Nr. HEI 5-336420, in der eine Vielzahl von elektrischen Signalsspeichern innerhalb jedes Pixels vorgesehen sind, in welcher Anordnung in einem Sensor in jedem Pixel ansprechend auf Helligkeit einfallenden Lichtes generierte elektrische Signale in dem elektrischen Signalspeicher innerhalb der Pixel akkumuliert werden während eines Bildabtastprozesses und nach dem Abschließen des Bildabtastprozesses ausgelesen werden derart, dass die Bildabtasteinrichtung befähigt ist, Hochgeschwindigkeitsbildabtastung auszuführen.
Ferner, wie in 8 und 9 gezeigt, ist eine Bildabtasteinrichtung vorgeschlagen worden, die einen Bildsensor umfasst, in welchem Pixel 2 jeweils mit einer Signalspeicher-CCD (ladungsgekoppelte Einrichtung bzw. charge coupled device) 1 in einer Matrix angeordnet sind. Die Signalspeicher-CCD 1 ist gefaltet durch viermaliges Umbiegen und wird in einer Zickzacklinie innerhalb des Pixel 2 bereitgestellt. Während eines Bildabtastprozesses funktioniert ein Ladungsspeicher 3a aus den neun Ladungsspeichern 3a–3i zur Signalakkumulation als ein Sensor, der einfallendes Licht in ein elektrisches Signal umwandelt und das in dem Ladungsspeicher 3a generierte elektrische Signal wird sequenziell übertragen und akkumuliert zu den anderen Ladungsspeichern 3b–3i. Nach Abschluss der Bildabtastung werden die in den Ladungsspeichern 3–3i akkumulierten elektrischen Signale jedes Pixels 2 ausgelesen durch Signalauslese-CCDs 4A, 4B ("THE STUDY OF PHOTOSITE FOR SNAPSHOT VIDEO"; m. Elloum, E. Fauvet, E. Goujou, P. Gorria, G. Cathebras; 36. Internationaler Kongress über Hochgeschwindigkeitsfotographie und Photonik (29. August – 2. September 1994), TECHNISCHES PROGRAMM & ZUSAMMENFASSUNG).
Ferner beschreibt das US Patent Nr. 5,355,165, wie in 10 gezeigt, eine Bildabtasteinrichtung, die einen Bildsensor umfasst, in welchem jedes Pixel 6 einen Sensor 7 umfasst und eine Signalspeicher-CCD 9 mit 5 × 4 Ladungsspeichern 8, 8, ... in einer Matrix angeordnet. Von den Sensoren 7 während eines Bildabtastprozesses generierte elektrische Signale werden zuerst zu vier Ladungsspeichern 8 übertragen, die in der Fig. lateral angeordnet sind (in der Rechts- und Linksrichtung), wie durch den Pfeil X gekennzeichnet. Als nächstes mit einer Krümmung in der Richtung, in der die elektrischen Signale übertragen werden, werden sie von den vier Ladungsspeichern 8 longitudinal (in der Auf- und Abwärtsrichtung) in der Fig. übertragen, wie durch den Pfeil Y angezeigt, dadurch in den Ladungsspeichern 8 jeweils gespeichert werdend. Während eines Ausleseprozesses werden die in den Ladungsspeichern 8 der Signalspeicher-CCD 9 jedes Pixels 6 gespeicherten elektrischen Signale in Richtung der Signalauslese-CCD 10, longitudinal, wie durch den Pfeil Y angezeigt, übertragen und ferner von der Signalauslese-CCD 10 in der Richtung übertragen, wie durch den Pfeil X angezeigt.
Im Allgemeinen muss die Bildabtasteinrichtung zur Verwendung von wissenschaftlichen Messungen von Bewegungen zwei Bedingungen erfüllen, das heißt, die Fähigkeiten, erstens die Hochgeschwindigkeitsbildabtastung zu implementieren und zweitens eine ausreichende Anzahl von aufeinanderfolgenden Bildern zu erhalten oder die Verwendung als eine Videokamera zu ermöglichen.
Bezüglich der ersten Bedingung hat der Erfinder der vorliegenden Erfindung als ein Ergebnis von Befragungen, die bei Forschern durchgeführt worden sind, welche Benutzer von Bildabtastvorrichtungen für wissenschaftliche Messungen sind, das eine Rahmen Rate von 10⁶ Rahmen/s, wenn erhalten, die Bedürfnisse der meisten Benutzer (über 95%) erfüllt, wie in 11 gezeigt ("Eine Übersicht von Fragebogen über die Benutzung von Hochgeschwindigkeitsbildabtastung und ein Vorschlag einer 3 Millionen Rahmen/s Videokamera"; Takeharu ETOH, Kohsei TAKEHARA, Midori KAWAJIRI; Tagungsbericht des Umfassenden Symposiums über Hochgeschwindigkeitsbildabtastung und Photonik 1993, Seiten 109–112, 1993, in japanischer Sprache).
Bezüglich der zweiten Bedingung, da die Reproduktionsrate von allgemeinen Videokameras 25 bis 30 Rahmen/s ist, aber die minimale Rate, die es einem Menschen ermöglichen kann, eine kontinuierliche Bewegung zu erkennen 4 bis 5 Rahmen/s ist, ermöglicht das Reproduzieren von 40 bis 50 kontinuierlichen Rahmen bei einer Reproduktionsrate von 4 bis 5 Rahmen/s, ein bewegtes Bild von etwa 20 Sekunden zu erhalten, obwohl der Bewegung in den Bildrahmen mehr oder weniger die Glätte fehlt, in welchem Fall die Kamera verwendet als Videokamera für wissenschaftliche Messanwendung werden kann. Ebenso müssen Bildabtasteinrichtungen für wissenschaftliche Messungen, die als Hochgeschwindigkeitsvideokamera zu verwenden sind, in der Lage sein, eine Rahmenrate von 10⁶ Rahmen/s zu erhalten und eine minimale Anzahl von kontinuierlichen Rahmen von etwa 40 bis 50.
Jedoch ist die zuvor erwähnte Bildwandlerkamera tatsächlich in der Lage, eine ausreichende Rahmenrate zu erhalten, aber hat eine Anzahl von kontinuierlichen Rahmen von nur etwa 10, nicht ausreichend für die Verwendung als eine Videokamera. Die Bildwandlerkamera hat auch Nachteile, dass das System zu einer großen Ausdehnung führt und das relative Verzerrungen zwischen einem und einem anderen der kontinuierlichen Rahmen auftreten.
Mit Hochgeschwindigkeitsvideokameras von 4500 Rahmen/s, wie oben beschrieben, könnte der Bedarf von Benutzern bezüglich der Rahmenrate nicht ausreichend zufriedengestellt werden.
Ferner bringt die Bildabtastanordnung der japanischen Patentoffenlegungsschrift Nr. HEI 5-336420, da eine große Zahl von Transistoren gleichzeitig gesteuert werden muss, um elektrische Signale zu den elektrischen Signalsspeichern während der Bildabtastung zu übertragen, einen großen Energieverbrauch bei den Schaltoperationen mit sich und nebenbei beeinträchtigt bei dem Schalten generiertes Rauschen die elektrischen Signale.
In einer Bildabtasteinrichtung, die Pixel 2 umfasst, wie in 8 und 9 gezeigt, wird tatsächlich weder ein Verlust von Lichtintensität noch relative Verzerrung zwischen kontinuierlichen Rahmen auftreten, aber die Anzahl kontinuierlicher Rahmen ist so niedrig wie 9, dass die Bildabtasteinrichtung nicht als eine Videokamera verwendet werden kann.
Auch in dieser Bildabtasteinrichtung wird, da die Ladungsspeicher 3a bis 3i der Signalspeicher-CCD 1 in einer Zickzacklinie angeordnet sind, wie oben beschrieben, die Treiberschaltung zum Betreiben der Ladungsspeicher 3a bis 3i der Signalspeicher-CCD 1 komplex in ihrem Aufbau als weiterer Nachteil. Genauer, wie in 9 gezeigt, da eine Richtung, wie sie durch den Pfeil X1 gekennzeichnet ist, in der elektrische Signale von dem Ladungsspeicher 3a zum Ladungsspeicher 3c übertragen werden und in der elektrische Signale von dem Ladungsspeicher 3g zum Ladungsspeicher 3i übertragen werden, entgegengesetzt zu einer anderen Richtung ist, wie durch den Pfeil X2 gekennzeichnet, in welcher elektrische Signale von dem Ladungsspeicher 3d zu dem Ladungsspeicher 3f übertragen werden, ist es erforderlich, Treiberspannungen mit zueinander symmetrischen Wellenformen anzulegen, wie durch V1 und V2 gezeigt. Daher ist es erforderlich, dass elektrische Verdrahtungen 5a zum Anlegen einer Treiberspannung an die Ladungsspeicher 3a bis 3c und die Ladungsspeicher 3g bis 3i, und elektrische Verdrahtungen 5b zum Anlegen einer Treiberspannung an die Ladungsspeicher 3g bis 3i durch separate elektrische Verdrahtungen bereitgestellt werden und dass die Spannungen der Wellenformen, wie durch V1 und V2 gezeigt, an die elektrischen Verdrahtungen 5a bzw. 5b jeweils angelegt werden. Daneben ist es, da eine Richtung wie sie durch den Pfeil Y angezeigt ist, in der elektrische Signale von den Ladungsspeicher 3c zum Ladungsspeicher 3d übertragen werden und vom Ladungsspeicher 3f zum Ladungsspeicher 3g senkrecht zu den Richtungen, wie sie durch X1 und X2 gekennzeichnet sind, erforderlich, elektrische Verdrahtungen zum Anlegen einer Treiberspannung an die Ladungsspeicher 3b, 3f zusätzlich zu den elektrischen Verdrahtungen 5a, 5b separat bereitzustellen.
Ferner sind, da der Signalspeicher-CCD 1 in einer Zickzacklinie besteht, wie oben beschrieben, Krümmungen in der Richtung vorhanden, in der elektrische Signale übertragen werden. Elektrische Signale werden in den Ladungsspeichern 3c, 3d, 3f und 3g, angeordnet an diesen Krümmungen in der Übertragungsrichtung, verbleiben, was eine Verschlechterung der Qualität reproduzierter Bilder bewirken kann.
Ferner gibt es in dieser Bildabtasteinrichtung einen Bedarf des Bereitstellens von Signalauslese-CCDs 4a innerhalb des photorezeptiven Bereichs.
Im allgemeinen sind die Dimensionen des photorezeptiven Bereichs der Pixel etwa 10 mm × 10 mm, wohingegen die Anzahl der Pixel nicht reduziert werden kann unter einen gewissen Pegel, um die minimale Auflösung sicherzustellen. Als ein Ergebnis kann der Bereich von einem Pixel nicht über einen gewissen Pegel erhöht werden. Um die Anzahl von Signalspeicher-CCDs und innerhalb des Pixels angeordneter Ladungsspeicher zu erhöhen, ist es entsprechend erforderlich, den Aufbau innerhalb des photorezeptiven Bereichs so sehr wie möglich zu vereinfachen, so dass ein Raum zum Anordnen der Signalspeicher-CCDs innerhalb jedes Pixels sichergestellt wird. Wie in der Bildabtasteinrichtung, die in 8 und 9 gezeigt ist, würde es daher, wenn die Signalauslese-CCD 4A innerhalb des photorezeptiven Bereichs angeordnet wäre und wenn die Treiberschaltung für die Signalspeicher-CCDs komplex ist, schwierig werden für die Anzahl von Ladungsspeichern der Signalspeicher-CCDs, etwa 40 bis 50 Pixel zu haben, selbst wenn die Dimensionen und der Aufbau der CCDs in verschiedener weise modifiziert sind. Demnach kann die Anzahl von kontinuierlichen Rahmen, die erforderlich ist für die Verwendung als oben erwähnte Hochgeschwindigkeitsvideokamera nicht erhalten werden.
Das Übernehmen der Anordnung, wie in 10 gezeigt, ermöglicht einer Anzahl von Ladungsspeichern der Signalspeicher-CCD 9 jedes Pixels 6, 40 bis 50 pro Pixel 6 zu sein. Da jedoch das in dem Sensor 7 generierte elektrische Signal zuerst in einer Richtung, die durch den Pfeil X gekennzeichnet ist, umgesetzt wird und dann in einer anderen Richtung, die durch den Pfeil Y angezeigt ist, senkrecht zu der X-Richtung, wird die Treiberschaltung für die Signalspeicher-CCD komplex, wie in der Bildabtasteinrichtung, die in 8 und 9 gezeigt ist.
Auch gibt es, da in dem Sensor 7 generierte elektrische Signale zuerst in der durch den Pfeil X gekennzeichneten Richtung übertragen werden und dann in der durch den Pfeil Y gekennzeichneten Richtung übertragen werden, einige abrupte Krümmungen in der Richtung, in der das elektrische Signal übertragen wird, wie in dem Fall der in 8 und 9 gezeigten Anordnung. Dies führt zu einem Problem, dass elektrische Ladungen in den an diesen Krümmungen angeordneten Ladungsspeichern 8 gemischt werden, was eine Verschlechterung der Qualität des reproduzierten Bildes verursacht.
DE 424316 offenbart einen CCD Bildsensor mit einem Feld bzw. Array von Halbleiterspeichern, parallel angeordnet. Einige der Halbleiterspeicher sind lichtempfindlich und bilden den Bildsensorbereich, die anderen sind maskiert und nicht lichtempfindlich und bilden den Bildspeicherbereich.
RESÜME DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung ist erzielt worden zum Lesen der oben beschriebenen Nachteile der Bildabtastanordnung gemäß dem Stand der Technik. Entsprechend ist es ein Ziel der vorliegenden Erfindung, eine Bildabtasteinrichtung bereitzustellen, die zu einer ausreichenden Hochgeschwindigkeitsbildabtastung befähigt ist, um die Anforderungen von Benutzern zu erfüllen, die Bildabtasteinrichtungen für wissenschaftliche Messungen verwenden und ferner zum Erhalten einer Anzahl von kontinuierlich Bildrahmen befähigt ist, ausreichend, um ein Bewegtbild zu erstellen, so dass die Bildabtasteinrichtung die Verwendung als eine für wissenschaftliche Messungen geeignete Videokamera ermöglicht.
Um das obige Ziel zu erreichen, ist gemäß der vorliegenden Erfindung eine Bildabtasteinrichtung bereitgestellt, mit einem Bildsensor, wie er in Anspruch 1 beansprucht ist.
In dieser Bildabtasteinrichtung wird, da in den Sensoren von Pixeln generierte elektrische Signale parallel in einer Richtung durch die Doppelfunktions-CCDs übertragen werden, die parallel vorgesehen sind, um in den Ladungsspeichern der Doppelfunktions-CCDs gespeichert zu werden, eine Rahmenrate von etwa 10⁶ Rahmen/s ermöglicht.
Wenn die Gesamtzahl von Rahmenspeichern der Doppelfunktions-CCDs, die mit den Sensoren verbunden sind, eingestellt ist auf eine gewünschte Zahl, kann eine gewünschte Zahl von kontinuierlichen Rahmen erzielt werden. Das heißt, wenn die Gesamtzahl von Ladungsspeichern der Doppelfunktions-CCDs, die mit dem Sensor eines Pixels während eines Bildabtastprozesses verbunden sind, "A" ist, dann werden elektrische Signale entsprechend der Zahl "A" von kontinuierlichen Bildrahmen in den Doppelfunktions-CCDs gespeichert. Daher, beispielsweise, wenn die Gesamtzahl von Rahmenspeichern der Doppelfunktions-CCDs, die mit dem Sensor eines Pixels verbunden sind, 87 ist, dann ist die Zahl kontinuierlicher Bildrahmen 87, was die Verwendung als eine Videokamera für wissenschaftliche Anwendungen zulässt.
Während eines Signalleseprozesses ist es, da die in den Ladungsspeicher der parallel vorgesehenen Doppelfunktions-CCDs gespeicherten Signale parallel in derselben Richtung übertragen werden wie in dem Bildabtastprozess, nicht erforderlich, Signallese-CCDs unabhängig von den Doppelfunktions-CCDs innerhalb des photorezeptiven Bereichs bereitzustellen.
Zudem ist, da eine Vielzahl von Doppelfunktions-CCDs parallel vorgesehen ist und da elektrische Signale in derselben Richtung während sowohl des Bildabtast- als auch des Signalleseprozesses übertragen werden, die Schaltung zum Antreiben der Doppelfunktions-CCDs in ihrem Aufbau vereinfacht.
Vorzugsweise können die Doppelfunktions-CCDs auf einer von einer Oberfläche, auf der die Sensoren angeordnet sind, abweichenden Oberfläche angeordnet sein.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNG
Ferner werden Ziele und Vorteile der vorliegenden Erfindung aus der folgenden Beschreibung klar, betrachtet in Verbindung mit den bevorzugten Ausführungsformen davon unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen, in denen zeigt:
1 ein schematisches Schaltungsdiagram einer Bildabtasteinrichtung gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
2A eine schematische Schnittansicht des MCP-Typs 2 und 2B eine schematische Ansicht zum Erläutern des Avalanche-Effekts;
3 ein schematisches Diagram des Bildsensors;
4 eine teilweise vergrößerte Ansicht der oberen Oberfläche des photorezeptiven Bereichs der Bildsensoreinrichtung nach 3;
5 eine teilweise vergrößerte Ansicht zum Zeigen der rückwärtigen Oberfläche des photorezeptiven Bereichs des Bildsensors der 3;
6 eine teilweise vergrößerte Ansicht der 5;
7 eine teilweise vergrößerte Schnittansicht, betrachtet entlang der Linie VII–VII der 6;
8 ein schematisches Diagram einer Bildabtasteinrichtung gemäß dem Stand der Technik;
9 eine teilweise vergrößerte Ansicht der 8;
10 ein schematisches Diagram einer anderen Bildabtasteinrichtung gemäß dem Stand der Technik; und
11 ein Diagram des Zusammenhangs zwischen Rahmenraten einer Bildabtasteinrichtung und dem Verhältnis von Benutzerbedarf der Rahmenraten.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORM
1 bis 7 zeigen eine Bildabtasteinrichtung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
In dieser Bildabtasteinrichtung ist ein Hauptteil 13 mit einer Bildabtasteinheit 12 ausgestattet, durch die ein Strahl einfallenden Lichts durch eine Linse 11 in ein Bild konvergiert wird, umgesetzt in ein elektrisches Signal, wobei ein von der Bildabtasteinheit 12 ausgegebenes Analogsignal verstärkt wird durch einen Verstärker 14 und daraufhin umgesetzt wird in ein Digitalsignal durch einen A/D-Umsetzer 15, hierdurch übertragen werdend zu einem Hauptspeicher 16. Eine Bildverarbeitungsvorrichtung 17, die mit dem Hauptspeicher 16 verbunden ist, umfasst einen Pufferspeicher 17a und verarbeitet das in dem Hauptspeicher 16 gespeicherte Digitalsignal, um das Bild zu reproduzieren. Durch das Bezugszeichen 19 in den Figuren ist eine Überwachungsanzeige gekennzeichnet zum Anzeigen des von der Bildverarbeitungsvorrichtung 17 reproduzierten Bildes. Die Bildabtasteinheit 12 ist mit einer Helligkeitsüberwachungsvorrichtung 23 über einen Verstärker 21 und einen A/D-Umsetzer 22 verbunden und die Helligkeitsüberwachungsvorrichtung 23 ist mit einer Triggersignalgeneriervorrichtung 24 verbunden. Die Bildabtasteinrichtung ist ferner mit einer Steuervorrichtung 25 ausgerüstet, die mit dem Verstärker 14 verbunden ist, dem A/D-Umsetzer 15, dem Hauptspeicher 16 und ähnlichem, so dass die Steuervorrichtung 25 die gesamte Bildabtasteinrichtung steuert. Eine Beleuchtungsvorrichtung 26 ist mit der Steuervorrichtung 25 verbunden, um einen Gegenstand mit Beleuchtungslicht zu beleuchten, so dass Beleuchtungslicht auf den Gegenstand von der Beleuchtungsvorrichtung 26 synchron mit dem Betrieb der Bildabtasteinheit 12 für eine Bildabtastoperation angewendet wird.
Die Bildabtasteinheit 12 in dieser Ausführungsform ist aufgebaut, wie in 2A gezeigt, wo ein Bildsensor 18 an einer MCP-Typ II 30 montiert ist.
Die MCP-Typ II 30 hat eine Einfallsfenstervorrichtung 32, aus Glasfaser erstellt und an einer Öffnung an einer Endseite eines Rohrteiles 21 angeordnet, dessen Innern ein Vakuum ist, sowie einen photorezeptiven Bereich 33 und eine Mikrokanalplatte (MCP 35), nachfolgend auf die Einfallsfenstervorrichtung 32 vorgesehen. Auch ist ein Gehäuse 18a des Bildsensors 18 an der Öffnung an der einen Endseite des rohrförmigen Teils 31 montiert, wo der photorezeptive Bereich 36 des Bildsensors 18 gegenüber der MCP 35 in einem erforderlichen Abstand davon angeordnet ist.
Ein Lichtstrahl L, das auf der Bildabtasteinheit 12 von dem Linsensystem 11 erreicht worden ist, fällt auf der vorderen Oberfläche der Einfallsfenstervorrichtung 32 ein, um auf den photorezeptiven Bereich 33 aufzutreffen, wobei er in einen Elektronenstrom L' einer Intensität entsprechend der Lichtintensität umgewandelt wird, derart in die MCP 35 eintretend. Die MCP 35 ist von bekanntem Aufbau, wobei eine große Zahl von Löchern 35a, 35a, ... vorgesehen ist, wie in 2B gezeigt und eine Potentialdifferenz zwischen einer vorderen Oberfläche 35b und einer rückwärtigen Oberfläche 35c geliefert wird. Photoelektronen bilden den Elektronenfluss, der von dem photorezeptiven Bereich 33 ausgegeben die Löcher 35a passiert, durch welche die Photoelektronen mit der Wand der Löcher 35a kollidieren, was ein Avalanche-Phänomen verursacht, dass eine Vielzahl von Sekundärelektronen emittiert werden. Als ein Ergebnis wird die Anzahl an Elektronen erhöht. Photoelektronen werden auch durch das in der MCP 35 gebildete elektrische Feld beschleunigt. Auf diese Weise wird ein intensivierter Elektronenstrom auf dem photorezeptiven Bereich 36 des Bildsensors 18 erreicht.
Wie in 3 gezeigt, wird der photorezeptive Bereich 36 des Bildsensors 18 durch 46656 Pixel 37 gebildet, die in einer Matrix von 216 Zeilen und 216 Spalten angeordnet sind. In 3 ist jedes Pixel 37 emuliert durch n_k,j (i = 1 bis 216, j = 1 bis 216), wobei der Suffix i anzeigt, unter welche Ordnungszahl (Zeile) von oben in der Figur der Pixel 20 fällt und der Suffix j anzeigt, unter welche Ordnungszahl (Spalte) von am meisten links in der 2 der Pixel 20 fällt. Eine Treiberschaltung 41 zum Antreiben der nachstehend beschriebenen Doppelfunktions-CCDs 40A bis 40H ist außerhalb des photorezeptiven Bereichs 36 in der Figur vorgesehen. Eine Abtast-CCD 42 ist ebenfalls außerhalb des photorezeptiven Bereichs 36 in der Figur vorgesehen. Ein Ladungsspeicher 43 am rechten Ende der Abtast-CCD 42 ist mit dem Verstärker 14 verbunden und dem in 1 gezeigten A/D-Umsetzer. Bezugszeichen 44 in 3 ist eine Treiberschaltung für die Abtast-CCD 42.
In diesem Bildsensor 18 mit einer gestapelten Struktur, in welcher Sensoren 47 und Doppelfunktions-CCDs 40A bis 40H an unterschiedlichen Oberflächen jeweils vorgesehen sind, ist der Bereich der Sensoren 47 zu einem Großen festgelegt.
Speziell, wie in 7 gezeigt, ist auf einer Seite (vordere Oberfläche) des photorezeptiven Bereichs 36, auf der der Elektronenstrom L', der beschleunigt ist und die Intensität entsprechend der Lichtintensität hat, erreicht wird, der Sensor 47 in jedem Pixel 37 vorgesehen. Dieser Sensor 47 ist aus einer Metallelektrode erstellt und einer Form in einem Viereck mit nahezu demselben Bereich wie jedes Pixel 37.
Indessen, wie in 7 gezeigt sind an der Seite (rückwärtige Oberfläche) des photorezeptiven Bereichs 36 gegenüber der obigen vorderen Oberfläche die ersten bis achten Doppelfunktions-CCDs 40A bis 40H vorgesehen.
Die ersten bis achten Doppelfunktions-CCDs 40A bis 40H sind von linearer Form, jedes eine große Zahl von Ladungsspeichern 51 umfassend und ausgedehnt und angeordnet auf mehr als zwei Pixel 37 vertikal in der Figur des photorezeptiven Bereichs 36. Mit anderen Worten, auf der rückwärtigen Oberflächenseite des Sensor 47 einer Vielzahl von Pixeln 37, 37, ..., vertikal angeordnet und dieselbe Spalte bildend, sind die ersten bis achten Doppelfunktions-CCDs 40A bis 40H in der Reihenfolge von links nach rechts vorgesehen.
Wie in 5 gezeigt decken die ersten bis achten Doppelfunktions-CCDs 40A bis 40H nahezu die gesamte rückwärtige Oberfläche der Pixel 37 ab, die dieselbe Zeile bilden. Jedoch, um Zwischenräume 49 zum Anordnen erster und zweiter Gate-Vorrichtung 52A, 52B bereitzustellen, welche später beschrieben werden, sind Meander 50 teilweise in den ersten bis achten Doppelfunktions-CCDs 40A bis 40H vorgesehen.
Nun wird die Meander-Struktur der ersten bis achten Doppelfunktions-CCDs 40A bis 40H in bezug auf eine Spalte j = 1 erläutert. Die selbe Struktur ist vorgesehen in bezug auf die andere Spalte mit j = 2 und ihre Folgen, wobei Meander 50 in den ersten bis achten Doppelfunktions-CCDs 40A bis 40H vorgesehen sind.
Zuerst werden bezugnehmend auf die Struktur der ersten bis achten Doppelfunktions-CCDs 40A bis 40H acht Pixel 37, 37, ... vertikal angeordnet als eine Einheit (Einheit u) genommen, wobei die Einheit u von allen Pixeln 37 wiederholt wird, die dieselbe Spalte bilden.
Wie in 6 gezeigt ist jedes Pixel 37 aufgeteilt in neun Intervalle s1 bis s9 mit einer lateral gleichen Breite und die Doppelfunktions-CCDs 40A bis 40H sind jeweils zu den Intervallen s1 bis s9 angeordnet. Da acht Doppelfunktions-CCDs 40A bis 40H in 9 Intervallen s1 bis s9 angeordnet sind, ist eines der Intervalle s1 bis s9 übrig. Unter Verwendung des verbleibenden Intervalls s1 bis s9 werden die Doppelfunktions-CCDs 40A bis 40H schräg geschlitzt sind und angeordnet.
Beispielsweise durchläuft in einem Pixel 37, das an oberster Stelle in 5 aus der Einheit u von acht vertikal angeordneten Pixeln 37 angeordnet ist, wie in 5 und 6 gezeigt, die erste Doppelfunktions-CCD 40A, die linear ist, das erste Intervall s1. Auch die dritten bis achten Doppelfunktions-CCDs 40C bis 40H, die ebenfalls linear sind, durchlaufen jeweils die vierten bis neunten Intervalle s4 bis s9. Indessen sind Meander 50, 50 in der zweiten Doppelfunktions-CCD 40B an der obersten Endseite und der unteren Endseite des Pixels 37 vorgesehen, so dass jeder dritte Intervall s3 an der oberen Endseite des Pixels 37 durchläuft und das zweite Intervall s2 an seiner unteren Endseite.
In einem Pixel 37, das am zweitobersten in 5 aus der Einheit u von acht vertikal angeordneten Pixeln 37 angeordnet ist, sind die ersten und zweiten Doppelfunktions-CCDs 40A, 40B und die vierten bis achten Doppelfunktions-CCDs 40D bis 40H linear angeordnet, während Meander 50, 50 zu der dritten Doppelfunktions-CCD 40c so vorgesehen sind, dass sie das vierte Intervall s4 an der oberen Endseite des Pixels 37 durchläuft und das zweite Intervall s5 an ihrer unteren Endseite. Entsprechend sind für die verbleibenden aus der Einheit u von acht vertikal angeordneten Pixeln 37 in den dritt- bis siebtobersten Pixeln 37, 37, ... in 5 Meander 50 in den vierten bis achten Doppelfunktions-CCDs 40D bis 40H jeweils in dieser Reihenfolge vorgesehen, so dass Zwischenräume 49 innerhalb des Pixels 37 vorgesehen sind. Ferner sind in dem achtobersten Pixel 37 in 3 aus den acht vertikal angeordneten Pixeln 37 Meander 50, 50 in den zweiten bis achten Doppelfunktions-CCDs 40B bis 40H jeweils vorgesehen, so dass Zwischenräume 49 innerhalb des Pixels 37 bereitgestellt sind.
Es wird darauf hingewiesen, dass der Meanderwinkel θ der Meander 50 der zweiten bis achten Doppelfunktions-CCDs 40B bis 40H vorzugsweise nicht mehr als 10° ist.
In den obersten bis siebt obersten Pixeln 37, 37, ... aus der Einheit u von acht vertikal angeordneten Pixeln 37, sind Zwischenräume 49 auf beiden Seiten der Doppelfunktions-CCDs 40A bis 40H definiert, in welchen die Meander 50 vorgesehen sind. Beispielsweise in dem Fall des obersten Pixels 37 aus der Einheit u von Pixeln 37 sind Zwischenräume 49, 49 sowohl auf der rechten als auch auf der linken Seite in der Figur der zweiten Doppelfunktions-CCD 40B definiert mit den Meandern 50, 50 und erstrecken sich vom dritten Intervall s3 zum zweiten Intervall s2. In dem achtobersten Pixel 37 aus der Einheit u von acht vertikal angeordneten Pixeln 37 sind Zwischenräume 49, 49 auf der linken Seite der zweiten Doppelfunktions-CCD 40B und auf der rechten Seite der achten Doppelfunktions-CCD 40H definiert, wie in der Figur zu sehen ist.
In dem ersten Pixel 37 aus einer Einheit u von Pixel 37 ist ein elektrisch leitfähiger Abschnitt 53 aus dem Sensor 47 zur hinteren Oberflächenseite hervorstehend vorgesehen in dem Oberseitenzwischenraum 49, wie in 7 gezeigt. Auch ist in diesem Zwischenraum 49 eine erste Gate-Vorrichtung 52A mit einem der Ladungsspeicher 51 der ersten Doppelfunktions-CCD 40A verbunden vorgesehen und der elektrisch leitfähige Abschnitt 53 ist mit dieser ersten Gate-Vorrichtung 52A verbunden.
In einem Zwischenraum 49 auf der unteren Seite des obersten Pixels aus dieser Einheit u von Pixel 37 ist eine zweite Gate-Vorrichtung 52B mit einem der Ladungsspeicher 51 der zweiten Doppelfunktions-CCD 40B verbunden vorgesehen. Zu dieser zweiten Gate-Vorrichtung 52B ist eine Signalentladungsvorrichtung 54 verbunden und die Signalentladungsvorrichtung 54 ist mit einer Helligkeitsüberwachungsvorrichtung 23 über eine (nicht dargestellte) Monitor-CCD, die Monitorleitung 56, den Verstärker 21 und den A/D-Umsetzer 22 verbunden.
In ähnlicher Weise ist in den zweiten bis achten Doppelfunktions-CCDs 40B bis 40H aus der Einheit u von Pixeln 37 eine erste Gate-Vorrichtung 52A an dem oberseitigen Zwischenraum 49 jedes Pixels 37 vorgesehen, während eine zweite Gate-Vorrichtung 52B an seinem unterseitigen Zwischenraum 49 vorgesehen ist, wie in 5 zu sehen.
Entsprechend sind in Bezug auf die ersten bis achten Doppelfunktions-CCDs 40A bis 40H erste zu jedem achten Pixel 37 vorgesehene Gate-Vorrichtungen 52A mit den Sensoren 47 verbunden, während zweite Gate-Vorrichtungen 52B mit einem Pixel 37 verbunden sind, das um eins höher ist, als das Pixel 37, zu dem eine erste Gate-Vorrichtung 52A vorgesehen ist, wie in der Figur zu sehen.
Während einer Überwachungsoperation ist die erste Gate-Vorrichtung 52A geöffnet, so dass elektrische Ladungen von den Sensoren 47 zu den ersten bis achten Doppelfunktions-CCDs 40A bis 40H übertragen werden, während ein Ladungsspeicher 51, der sich zwischen einem Ladungsspeicher 51 befindet, zu dem die erste Gate-Vorrichtung 52A verbunden ist und ein anderer Ladungsspeicher 51, zu dem die zweite Gate-Vorrichtung 52B verbunden ist (der in 6 schraffierte Ladungsspeicher 51) wird auf eine höhere Spannung eingestellt, so dass elektrische Signale nicht übertragen werden. Auch wird die zweite Gate-Vorrichtung 52B geöffnet, wodurch ein elektrisches Signal zu der Helligkeitserfassungsvorrichtung ausgegeben wird. In diesem Zustand sind Ladungsspeicher 51, die den Satz von acht Pixeln 37 von irgendeiner der ersten bis achten Doppelfunktions-CCDs 40A bis 40H entsprechen, mit den Sensoren 47 der Pixel 37 verbunden. Die ersten bis achten Doppelfunktions-CCDs 40A bis 40H haben elf Ladungsspeicher pro Pixel 37, in welchen eine Gesamtheit von 88 Ladungsspeichern 51 während eines Bildabtastprozesses mit dem Sensor 47 jedes Pixels 37 verbunden ist. Aus diesen Ladungsspeichern werden solche in 6 schraffierten Ladungsspeicher 51 auf eine höhere Spannung festgelegt, so dass elektrische Signale nicht übertragen werden, wie oben beschrieben. Daher werden in dem Sensor 47 jedes Pixels 37 generierte elektrische Signale entsprechend zu 87 Rahmen von Bildern in den ersten bis achten Doppelfunktions-CCDs 40A bis 40H akkumuliert. Zusätzlich wird die an die MCP 35 vom MCP-Typ II 30 angelegte Spannung synchron mit dem Betätigen ein- und ausgeschaltet, wodurch das Ausblenden bewirkt wird. Auch während der Überwachung ist die MCP 35 ausgeblendet, um es dem Elektronenstrom zu ermöglichen, auf dem photorezeptiven Bereich 36 für eine Periode von 10^–6s jede 1/30 Sekunden erreicht zu werden.
Während der Überwachung wird, wenn die Helligkeitserfassungsvorrichtung eine das Auftreten eines Zielphänomens ankündigende Änderung in der Helligkeit erfasst hat, die Bildabtastung gestartet. In diesem Bildabtastprozess wird die MCP 35 des MCP-Typs II 30 synchron mit dem Betätigen der ersten bis achten Doppelfunktions-CCDs 40A bis 40H im 10^–6 Sekundenintervall ausgeblendet.
Während des Bildabtastprozesses wird, nachdem die Helligkeitserfassungsvorrichtung eine das Auftreten eines Zielphänomens ankündigende Änderung in der Helligkeit erfasst hat, die Bildabtastung vollendet.
Für einen Signalleseprozess, nachdem die Bildabtastung beendet ist, ist die erste Gate-Vorrichtung 52A geschlossen, so dass elektrische Signale nicht von den Sensoren 47 der Pixel 37 zu den ersten bis achten Doppelfunktions-CCDs 40A bis 40H übertragen werden. Auch wird das Ausblenden der MCP 35 gestoppt. Ferner wird die zweite Gate-Vorrichtung 52B geschlossen während die in 6 schraffierten Ladungsspeicher 51, die während des Bildabtastprozesses auf ein hohes Potential gelegt worden sind, auf dasselbe potential gelegt werden, wie die anderen Ladungsspeicher 51. In diesem Prozess sind in den ersten bis achten Doppelfunktions-CCDs 40A bis 40H die Ladungsspeicher 51 jeweils in Serie verbunden von der Seite am oberen Ende zu der Seite am unteren Ende des photorezeptiven Bereichs 36.
In diesem Zustand werden die ersten bis achten Doppelfunktions-CCDs 40A bis 40H betätigt, so dass elektrische Signale, die in den Ladungsspeichern 51 der ersten bis achten Doppelfunktions-CCDs 40A bis 40H gespeichert sind, parallel und nacheinander von der oberen zu der unteren Seite übertragen werden, wie durch den Pfeil Y in der Figur angedeutet. Unterhalb des photorezeptiven Bereichs 36 ist eine Abtast-CCD vorgesehen und die elektrischen Signale werden von den Ladungsspeichern 51 der ersten bis achten Doppelfunktions-CCDs 40A bis 40H, die am untersten Ort des photorezeptiven Bereichs 36 angeordnet sind zum Hauptspeicher 26 über die Abtast-CCD, Lese-CCD 42, die Ausleseleitung 57, den Verstärker 21 und den A/D-Umsetzer 22 übertragen.
In einer vorläufigen Bildabtastung zum Einstellen eines Abtastwinkels und ähnlichem (eine Set-Up-Prozedur) wird die MCP 35 ausgeblendet, um es dem Elektronenfluss zu ermöglichen, auf dem photorezeptiven Bereich 36 für eine Dauer von 10^–6s alle 1/30 Sekunden erreicht zu werden, während die Set-Up-Operation ausgeführt wird durch Bestätigen des Bildes durch die Monitoranzeige. Mit der Anordnung, dass ein Elektronenfluss abgestrahlt wird, ohne in Licht umgewandelt zu werden, sollte, da der Sensor 47, der Kollision von Elektronen verwendet, einer starken Verschlechterung unterzogen wird, die Zeitdauer, während der die Sensoren 47 einem Elektronenstrom ausgesetzt sind, so kurz wie möglich sein. Da die für die Bildabtastung benötigte Zeit relativ kurz ist, ist der Bildsensor nicht so sehr beeinträchtigt in bezug auf die Verschlechterung. Indessen würden die Überwachungs- und Set-Up-Operationen eine relativ lange Zeit beanspruchen verglichen mit der Zeit für die Bildabtastung. Jedoch kann in dieser Ausführungsform, weil die Ausblendzeitintervalle bei der Überwachung und die Set-Up-Operationen länger eingestellt sind, als oben beschrieben, die Lebensdauer des Bildsensors 18 verlängert werden.
In der Bildabtastung der Ausführungsform wird, da elektrische Signale geradewegs von der Oberseite zur Unterseite durch die ersten bis achten Doppelfunktions-CCDs 40A bis 40H übertragen werden, ein Rahmenverbleiben von etwa 10⁶ Rahmen/s ermöglicht durch Ausblenden der ersten bis achten Doppelfunktions-CCDs 40A bis 40H zu Intervallen von 10^–6s.
In dieser Ausführungsform ist, da die Gesamtzahl der Ladungsspeicher, die mit dem Sensor 47 eines Pixels 37 während des Bildabtastprozesses verbunden sind, 87 ist, die Anzahl von kontinuierlichen Bildrahmen 87, was ein Bewegtbild ermöglicht.
Auch kann in dieser Ausführungsform, da die Übertragungsrichtung der elektrischen Signale nicht gekrümmt ist, eine Verschlechterung der Pixel 37 resultierend aus den in dem Ladungsspeicher verbleibenden elektrischen Signalen vermieden werden.
Ferner ist, da elektrische Signale in derselben Richtung, sowohl während des Bildabtastprozesses als auch während des Bildleseprozesses übertragen werden, die Schaltung zum Antreiben der Doppelfunktions-CCDs CCDs vereinfacht im Aufbau.
Zudem ist es, da die ersten bis achten Doppelfunktions-CCDs 40A bis 40H die elektrischen Signale während der Bildabtastung speichern können und sie während des Lesens übertragen können, nicht erforderlich, irgendwelche Signalauslese-CCDs bereitzustellen zu dem photorezeptiven Bereich 36. Daher kann die Anzahl von Ladungsspeichern der ersten bis achten Doppelfunktions-CCDs 40A bis 40H erhöht werden während ein ausreichender Bereich für den Sensor 47 sichergestellt wird.
Die vorliegende Erfindung ist nicht auf die oben beschriebene Ausführungsform beschränkt und Ändern oder modifiziert in den verschiedenen Weisen.
Während die oben beschriebene Ausführungsform des Sensors aus einer Metallelektrode besteht, kann der Sensor auch aus einem normalen Photosensor als einer Photodiode bestehen. In diesem Fall wird vorgezogen, den Photosensor in dem Zwischenraum vorzusehen. Ferner kann in diesem Fall eine Mikrolinse vor dem Photosensor angeordnet werden.
Während in der oben beschriebenen Ausführungsform der Bildsensor aufgebaut ist wie ein Rückinjektions-CCD-Sensor, kann der Bildsensor auch als ein überlagerter CCD-Sensor ausgeführt werden.
Ferner kann die MCP-Typ II weggelassen werden. Ein Strahl von dem Subjekt oder ein Elektronenstrom, der von dem Strahl übertragen wird, kann direkt auf den photorezeptiven Bereich ohne Intensivierung angewendet werden.
Ferner ist Trigger-Signalgeneratorvorrichtung nicht begrenzt auf eine oben beschriebene. Beispielsweise kann die Elektrosignalausgabevorrichtung zum Überwachen der Helligkeit getrennt werden von der photorezeptiven Oberfläche, kann außerhalb des Bildsensors oder innerhalb von ihm vorgesehen sein.

Claims

Bildabtasteinrichtung (12) mit einem Bildsensor (18), umfassend einen photoempfindlichen Bereich (36), der sich aus einer Vielzahl von Pixeln (37) zusammensetzt; eine Vielzahl von Sensoren (47), wobei jeder Sensor (47) mit einem entsprechenden Pixel (37) versehen ist und jeder Sensor (47) ein elektrisches Signal generiert ansprechend auf Helligkeit einfallenden Lichts (L) von einem Gegenstand; und eine Vielzahl von Doppelfunktions-CCDs (40A–40H) zum Signalspeichern und Auslesen jeweils verbunden mit jedem der Sensoren (47), wobei die Doppelfunktions-CCDs (40A– 40H) jeweils eine Vielzahl von Ladungsspeicherelementen (51) umfassen; wobei die Doppelfunktions-CCDs (40A–40H) von im Wesentlichen linearer Form sind, ausgedehnt über zwei oder mehr der Pixel (37) und im Wesentlichen parallel zueinander angeordnet; während eines Bildabtastprozesses in den Sensoren (47) der Pixel (37) generierte elektrische Signale parallel in einer Richtung (Y) von der Vielzahl von Doppelfunktions-CCDs (40A–40H) übertragen werden, wodurch jedes in einem Sensor generierte elektrische Signal in den Ladungsspeicherelementen (51) eines entsprechenden der Doppelfunktions-CCDs gespeichert wird; und während eines Signalausleseprozesses die in den Ladungsspeicherelementen (51) gespeicherten elektrischen Signale der Doppelfunktions-CCDs (40A–40H) parallel in der selben Richtung (Y) übertragen werden, wie in dem Bildabtastprozess, wodurch die elektrischen Signale des photoempfindlichen Bereichs (36) ausgelesen werden; die Doppelfunktions-CCDs (40B–40H) teilweise in Mäander (50) ausgebildet sind; zwischen Mäandern (50) definierte Zwischenräume (49) vorgesehen sind zwischen einer Doppelfunktions-CCD (z. B. 40A) und einer anderen, dazu benachbarten Doppelfunktions-CCD (z. B. 40B), in der ein Mäander (50) vorgesehen ist; eine erste Gatevorrichtung (52A) zwischen einem Sensor (47) und einem der Ladungsspeicherelemente (51) verbunden ist, das in einem (z. B. 40A) der Doppelfunktions-CCDs enthalten ist, wobei die erste Gatevorrichtung (52A) in einem Zwischenraum (49) vorgesehen ist; und eine zweite Gatevorrichtung (52B) zwischen einem anderen, entfernt von dem Ladungsspeicherelement (51), mit dem die erste Gatevorrichtung (52A) verbunden ist, positionierten Ladungsspeicherelement (51) und einer Signalentladungsvorrichtung (54) verbunden ist, wobei die zweite Gatevorrichtung (52B) in einem Zwischenraum (49) vorgesehen ist; wobei während eines Bildabtastprozesses in den Sensoren (47) der Pixel (37) generierte elektrische Signale zu den Doppelfunktions-CCDs (40A–40H) über die erste Gatevorrichtung (52A) übertragen werden und die elektrischen Signale in den Doppelfunktions-CCDs (40A– 40H) entladen werden zu der Signalentladungsvorrichtung (54) über die zweite Gatevorrichtung (52B); und wobei während eines Signalausleseprozesses die in den Ladungsspeicherelementen (51) der Doppelfunktions-CCDs (40A–40H) gespeicherten elektrischen Signale aus dem photoempfindlichen Bereich (36) über das Ende der Doppelfunktions-CCDs (40A–40H) ausgelesen werden.
Bildabtasteinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Doppelfunktions-CCDs (40A–40H) an einer Oberfläche angeordnet sind, die sich von der Oberfläche unterscheidet, an der die Sensoren (47) angeordnet sind.