JP2005086241A - 撮像装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 モード切り替え時に機械的な動作を行う必要がなく、固体撮像素子に明るさの均一な光を照射して補正データを取得することが可能な撮像装置を提供する。
【解決手段】 入射光量に応じて対数的に変化する出力信号を発生するイメージセンサー１３と、イメージセンサー１３に光を導くための撮像レンズ１１と、撮像レンズ１１を覆う透光性カバーＶ１と、イメージセンサー１３の周囲に配置された照明光源１４とを備える。透光性カバーＶ１が、照明光源１４からの照明光を反射させて撮像レンズ１１に入射させる部分反射透過面Ｒ１を有する。
【選択図】 図１

Description

本発明は撮像装置に関するものであり、例えば車載カメラに搭載される撮像装置に関するものである。

従来より知られている車載カメラには、自動車走行時の安全を確保するために、被写体(歩行者，白線，障害物等)の映像を光学的に取り込んで電気的な信号として出力する撮像装置が搭載されている。光学像の電気信号への変換は、ＣＣＤ(Charge Coupled Device)等の固体撮像素子で行われるのが一般的であるが、光電変換特性が入射光量に対してリニアーな固体撮像素子(いわゆるリニアー特性を有する固体撮像素子)では、屋外の広い輝度範囲に対応することが困難である。つまり、リニアー特性を有する固体撮像素子は、ダイナミックレンジが２桁と狭いため、広い輝度範囲の輝度分布を構成する被写体を撮像したときには、ダイナミックレンジ外の輝度情報を出力することができない。これに対し、光電変換特性が入射光量に対して対数的な固体撮像素子(いわゆるＬＯＧ特性を有する固体撮像素子)によれば、そのダイナミックレンジが５〜６桁と広いため、広い輝度範囲の輝度分布を構成する被写体を撮像したときでも、輝度分布内の全輝度情報を出力することができる。したがってＬＯＧ特性を有する固体撮像素子は、屋外の広い輝度範囲に対応できるため車載カメラ用の撮像装置に好適である。

上記ＬＯＧ特性を有する固体撮像素子においても、画素毎の感度の違いに起因する画素間の出力差(シェーディング，固定パターンノイズ等)を補正する必要があり、その補正を良好に行うことを目的とした撮像装置が、特許文献１，２で提案されている。特許文献１，２記載の撮像装置は、ＬＯＧ特性を有する固体撮像素子に明るさの均一な光を照射したときの補正データを、実際の撮像データから減算することにより、画素間の感度の不均一性を補正するものである。
特開平５−３０３５０号公報 特開２０００−３０７９６２号公報

特許文献１には、明るさの均一な光を固体撮像素子に照射する構成に関する記載はないが、特許文献２には、明るさの均一な光を固体撮像素子に照射するために、拡散キャップをレンズにはめることが記載されている。しかし、被写体を撮像するときの撮像モードと、補正データを取得するときのキャリブレーションモードと、の切り替えを、拡散キャップの機械的な着脱により行う構成は、撮像装置の信頼性低下や動作不良等の原因となる。

本発明はこのような状況に鑑みてなされたものであって、モード切り替え時に機械的な動作を行う必要がなく、固体撮像素子に明るさの均一な光を照射して補正データを取得することが可能な撮像装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、第１の発明の撮像装置は、入射光量に応じて対数的に変化する出力信号を発生する固体撮像素子と、該固体撮像素子に光を導くための撮像光学系と、該撮像光学系を覆う透光性カバーと、前記固体撮像素子の周囲に配置された照明光源とを備え、前記透光性カバーが、前記照明光源からの照明光を反射させて前記撮像光学系に入射させる部分反射透過面を有することを特徴とする。

第２の発明の撮像装置は、上記第１の発明において、前記部分反射透過面が、前記照明光源からの照明光の入射側からみて光学的に正のパワーを有することを特徴とする。

第３の発明の撮像装置は、上記第２の発明において、前記部分反射透過面が体積位相型ホログラムから成ることを特徴とする。

第４の発明の撮像装置は、上記第１〜第３のいずれか１つの発明において、前記照明光源から発せられる照明光の波長が、前記部分反射透過面の光反射波長帯域内にあることを特徴とする。

第５の発明の撮像装置は、上記第１〜第４のいずれか１つの発明において、前記照明光源を発光させたときの前記固体撮像素子の出力信号を記憶するための記憶手段をさらに備えることを特徴とする。

本発明の撮像装置によれば、透光性カバーの部分反射透過面が照明光源からの照明光を反射させて撮像光学系に入射させる構成になっているので、モード切り替え時に機械的な動作を行う必要がなく、固体撮像素子に明るさの均一な光を照射して補正データを取得することができる。そして、得られた補正データを用いれば、画素毎の感度の違いに起因する画素間の出力差(シェーディング，固定パターンノイズ等)を良好に補正することができる。また、部分反射透過面に正の光学的パワーを持たせれば、照明光源からの照明光を効果的に集光して撮像光学系に入射させることが可能となる。さらに、部分反射透過面を体積位相型ホログラムで構成することにより、その正の光学的パワーを高い自由度で構成することが可能となる。

また、照明光源から発せられる照明光の波長が、部分反射透過面の光反射波長帯域内にあるように構成すれば、照明光を効率良く撮像光学系に入射させるとともに、撮像のために外界から撮像光学系に入射してくる光に対する部分反射透過面の影響を抑えることができる。照明光源を発光させたときの固体撮像素子の出力信号を記憶するための記憶手段をさらに備えることにより、画素毎の感度の違いに起因する画素間の出力差を必要に応じて補正することができる。

以下、本発明を実施した撮像装置を、図面を参照しつつ説明する。なお、各実施の形態等の相互で同一の部分や相当する部分には同一の符号を付して重複説明を適宜省略する。

《第１の実施の形態》
図１に、撮像装置の第１の実施の形態をブロックダイアグラムで示す。図１において、Ｖ１は透光性カバー、Ｒ１は部分反射透過面、１１は撮像レンズ、１２はＩＲ(infrared ray)カットフィルター、１３はイメージセンサー、１４は照明光源、２１はオペアンプ、２２はＡ／Ｄコンバータ、２３は画像処理部、２４はフレームメモリ、２５は輝度判定部、２６は照明制御部である。この撮像装置は、被写体の映像を光学的に取り込んで電気的な信号として出力する光学装置であり、被写体の静止画撮影や動画撮影に用いられるカメラ(例えば車載カメラ)の主たる構成要素を成すものである。そして、画素毎の感度の違いに起因する画素間の出力差(シェーディング，固定パターンノイズ等)を補正するために、明るさの均一な光をイメージセンサー１３に照射して補正データを取得するキャリブレーション機能を有している。

この実施の形態において、イメージセンサー１３に光を導くための撮像光学系は、撮像レンズ１１とＩＲカットフィルター１２で構成されている。撮像レンズ１１は、物体(つまり被写体)の光学像を形成し(図１中、撮像時の被写体からの軸上光束を破線で示す。)、撮像レンズ１１とイメージセンサー１３との間に装着されているＩＲカットフィルター１２は、撮像レンズ１１を射出した光から所定波長帯域の赤外光をカットする。ＩＲカットフィルター１２により、イメージセンサー１３に到達する光の波長帯域は、例えば４００〜１０００ｎｍから４００〜７００ｎｍへと制限される。なお、撮影条件によってはＩＲカットフィルター１２を省略してもよい。つまり、被写体からの光量が少ないとき(例えば夜間)でも撮像を良好に行うために赤外光も利用する場合には、ＩＲカットフィルター１２を用いずに撮像レンズ１１のみで撮像光学系を構成してもよい。

撮像レンズ１１を覆うようにその前方に配置されている透光性カバーＶ１は、撮像レンズ１１側に凹面を向けた形状を有しており、被写体側からの入射光の一部を透過させ、かつ、凹面側(つまり撮像レンズ１１側)からの入射光の一部を反射させる部分反射透過面Ｒ１を有している。また部分反射透過面Ｒ１は、照明光源１４からの照明光の入射側からみて光学的に正のパワーを有しており、その正パワーにより入射光を集光するように反射させる。部分反射透過面Ｒ１を有する透光性カバーＶ１を用いているのは、撮像する被写体からの光の光路と、キャリブレーション時の照明光の光路と、を重ね合わせるためである。

ＩＲカットフィルター１２の後方に配置されてるイメージセンサー１３は、光電変換特性が入射光量に対して対数的な固体撮像素子(いわゆるＬＯＧ特性を有する固体撮像素子)であり、入射光量に応じて対数的に変化する出力信号を発生する。このイメージセンサー１３は、輝度で最大６桁の範囲を一度に撮像することができ、被写体の輝度分布に応じて光電変換特性を２桁から６桁まで変化させることができる。イメージセンサー１３の周囲には、複数個の照明光源１４が配置されている。照明光源１４は必要に応じて発光し、発光量も調整可能になっている。なお、複数個の照明光源１４を配置する代わりに、リング状の照明光源を用いてもよい。

被写体を撮像するときの撮像モードにおいては、被写体からの光が透光性カバーＶ１の部分反射透過面Ｒ１を透過した後、撮像レンズ１１，ＩＲカットフィルター１２の順に入射して、イメージセンサー１３に導かれる。撮像レンズ１１は、イメージセンサー１３の受光面上で被写体の光学像を形成し、イメージセンサー１３は、撮像レンズ１１で形成された光学像を電気信号に変換して出力する。オペアンプ２１は、イメージセンサー１３の出力をゲインコントロールし、Ａ／Ｄコンバータ２２はオペアンプ２１の出力をＡ／Ｄ変換する。画像処理部２３は、イメージセンサー１３の任意の画素の出力から、それに対応するフレームメモリ２４の出力をリアルタイムで減算する。これにより、画素毎の感度の違いに起因する画素間の出力差(シェーディング，固定パターンノイズ等)が補正される。このとき用いられるフレームメモリ２４の出力は、キャリブレーションモード時に明るさの均一な光をイメージセンサー１３に照射して得られた補正データに相当する。

上記補正データを取得するときのキャリブレーションモードにおいては、まず、照明光源１４が発光する。この発光のタイミングとしては、例えば、撮像装置のメインスイッチオンから所定時間経過時、被写体の撮像スタートの所定時間前、温度により特性変化した時、映像信号の輝度レベルが変化した時、朝・昼・晩等が挙げられる。また、車載カメラに搭載される場合には、エンジンスタート時、走行スタート時等が挙げられる。

照明光源１４からの照明光は、透光性カバーＶ１の凹形状の部分反射透過面Ｒ１で反射した後、撮像レンズ１１に入射する。そして撮像レンズ１１を透過した後、ＩＲカットフィルター１２を透過してイメージセンサー１３に入射する。このとき、後述する照明光源１４の発光量調整により部分反射透過面Ｒ１での反射光量を変化させることができるので、明るさの均一な光がイメージセンサー１３に入射したのと同じ状態を作ることができる。明るさの均一な光が撮像レンズ１１に入射するようにすれば、撮像レンズ１１やＩＲカットフィルター１２の特性(ケラレ等)に基づく補正により、撮像レンズ１１等による影響を排除することができるからである。したがって、イメージセンサー１３の受光面を完全に一様に照明する必要はない。

照明光源１４は複数配置されているため、照明光源１４からの照明光が部分反射透過面Ｒ１で正反射する場合でも、撮像レンズ１１に明るさの均一な光を入射させることが可能である。また、照明光源１４の前方に照明光を透過又は反射により拡散させる拡散板を配置すれば、照明光の明るさを更に均一化することができる。照明光源１４は小型のものであればよく、その種類は特に限定されない。例えば、照明光源１４として発光ダイオードを用いれば、撮像装置の小型化・省電力化を達成することができる。

照明光源１４から発せられる照明光の波長は、部分反射透過面Ｒ１の光反射波長帯域内にあるように構成されている。これにより、照明光を効率良く撮像レンズ１１に入射させるとともに、撮像のために外界から撮像レンズ１１に入射してくる光に対する部分反射透過面Ｒ１の影響を抑えることができる。また、発光ダイオードは発光波長に特定の狭い幅を持つため、透光性カバーＶ１の部分反射透過面Ｒ１を狭帯域反射の多層膜コートで構成すれば、その組み合わせによってエネルギー利用効率を高くすることができる。照明光源１４として半導体レーザを用いた場合も、同様の理由でエネルギー効率を高くすることができる。

イメージセンサー１３がモノクロセンサー(つまりカラーフィルターが付いていないもの)であれば、照明光の波長の選択は任意でよいが、例えば、ＩＲカットフィルター１２でカットされない波長７００ｎｍ程度の近赤外光を選択すれば、狭帯域反射コートによる映像光の可視波長領域の影響をなくすことができる。また、イメージセンサー１３の光電変換効率が高い波長領域で、照明光の波長を選択すれば、より高いエネルギー効率での照明が可能である。なお、イメージセンサー１３がカラーフィルターの付いているカラーセンサーであれば、カラーフィルターの光透過波長帯域内で照明光の波長を選択しなければならないのは言うまでもない。その場合、照明光源１４として、例えば、Ｒ(赤)・Ｇ(緑)・Ｂ(青)の各発光波長の発光ダイオードを用いてもよく、Ｒ・Ｇ・Ｂの各発光波長をカバーする広い発光波長帯域の蛍光管等を用いてもよい。

透光性カバーＶ１の凹面形状も、反射光が均一な明るさになるような形状に設定されている。つまり、透光性カバーＶ１を凹面形状にすることにより、照明光源１４の照明光の入射側からからみて光学的に正のパワーを部分反射透過面Ｒ１に持たせている。このため、照明光源１４からの照明光を効率良く集光して撮像レンズ１１に入射させることができる。照明光源１４の発光量が大きければ、透明なカバー部材のみで透光性カバーＶ１を構成してもよく、その界面反射を利用して照明光を反射させることが可能である。しかし、照明光源１４からの照明光を効率良く集光して撮像レンズ１１に入射させるには、入射光の一定光量を反射させ一定光量を透過させる部分反射コートを透光性カバーＶ１の凹面に施して、部分反射透過面Ｒ１を構成することが望ましい。

上記部分反射コートとしては、例えば、反射特性の波長依存性が少ない金属コートが望ましい。撮像モードにおいて被写体からの光が部分反射透過面Ｒ１を透過する際に影響を受けない程度であれば、部分反射透過面Ｒ１で照明光が拡散反射するようにしてもよい。また部分反射コートとして、反射特性に狭帯域な波長特性を持つ多層膜コートを用いてもよい。多層膜コートの反射波長と照明光源１４の発光波長とをほぼ一致させれば、照明光を効率良く撮像レンズ１１に入射させることが可能となる。しかも、撮像モード時には被写体からの光に与える影響を少なくすることができるので、より高品位な映像を撮影することができる。

なお、透光性カバーＶ１の凸側(つまり被写体側)にメカシャッターを設けておき、撮像モードで通常の撮影を行うときはメカシャッターを開いておき、キャリブレーションモードで補正データを取得するとき等には、メカシャッターを閉じて透光性カバーＶ１の凸側から入射する光を遮断する構成にしてもよい。メカシャッターを閉じた状態でキャリブレーションを行えば、更に精度良く補正データを得ることが可能となる。

キャリブレーションモードにおいては、照明光がイメージセンサー１３で電気信号に変換される。オペアンプ２１は、イメージセンサー１３の出力をゲインコントロールし、Ａ／Ｄコンバータ２２はオペアンプ２１の出力をＡ／Ｄ変換する。画像処理部２３は、照明光の情報から補正データを作成してフレームメモリ２４に出力する。その出力信号は、フレームメモリ２４に補正データとして記憶される。このように、照明光源１４を発光させたときのイメージセンサー１３の出力信号はフレームメモリ２４に記憶されるため、画素毎の感度の違いに起因する画素間の出力差を必要に応じて補正することができる。

照明光源１４の発光量の調整は、画像処理部２３から輝度判定部２５に出力された照明光の情報に基づいて、照明制御部２６により行われる。透光性カバーＶ１を透過してくる被写体からの光が強い場合、照明光も強くしないと被写体像の影響を受けてしまう。逆に、透光性カバーＶ１を透過してくる被写体からの光が弱い場合、照明光は弱くても構わない。透光性カバーＶ１を透過してくる被写体からの光が強いか弱いかは、撮像モードにおいて得られる映像情報(つまり撮像データ)から判断可能であり、その判断を行うのが輝度判定部２５である。輝度判定部２５は輝度分布(Ａ／Ｄ値)を測定して輝度レベル範囲を判定し、その判定結果に基づいて照明制御部２６が照明光源１４の発光量を制御する。その発光量は、被写体像の影響を受けず、かつ、飽和に近いレベルの一様な明るさの照明を可能とするものである。

ここで、撮像光路に対し拡散板の着脱を行う実際的な装置構成を参考のために説明する。その装置構成は、図９に示すように、透明なカバー部材Ｖ０と拡散板Ｄを備えたものである。撮像モードにおいては、拡散板Ｄが撮像光路外に退避しており、キャリブレーションモードに切り替えると、拡散板Ｄが撮像光路内(つまり撮像レンズ１１の前方)に移動する。したがってキャリブレーションモード時には、撮像装置外からカバー部材Ｖ０を通って拡散板Ｄに入射した光が、拡散板Ｄで拡散されて均一な明るさの光となり、撮像レンズ１１に入射することになる。

図９に示す撮像装置では、被写体を撮像するときの撮像モードと、補正データを取得するときのキャリブレーションモードと、の切り替えを、拡散板Ｄの機械的な着脱により行う構成になっている。このように、拡散板Ｄを撮像光路に対して着脱する機械的な構成を採用すると、常に振動が加わるような環境においては機械部分の信頼性が著しく低下し、動作不良の原因となり、当然歩留まりも低下してしまう。また、拡散板Ｄを逃すためのスペースを確保する必要が生じるので、デッドスペースが増えるという問題もある。

上記問題は、前述した第１の実施の形態では生じない。つまり、照明光源１４をイメージセンサー１３の周囲に配置し、キャリブレーション時に発光させ、照明光源１４からの照明光を透光性カバーＶ１の部分反射透過面Ｒ１で反射させて撮像レンズ１１に入射させる構成になっているため、モード切り替え時に機械的な動作を行う必要がなく、イメージセンサー１３に明るさの均一な光を照射して補正データを取得することができるのである。そして、その補正データを用いることにより、画素毎の感度の違いに起因する画素間の出力差(シェーディング，固定パターンノイズ等)を良好に補正することができる。また、機械的に動作する部分が必要ないので、常に振動が加わるような環境に組み込んでも信頼性を確保することができ、また、コンパクトな構造にすることができる。

《第２の実施の形態》
図２に、撮像装置の第２の実施の形態をブロックダイアグラムで示す。図２において、Ｖ２は透光性カバー、Ｒ２は部分反射透過面、Ｆ１は第１焦点、Ｆ２は第２焦点、１５は照明光源である。この撮像装置も、第１の実施の形態と同様、被写体の映像を光学的に取り込んで電気的な信号として出力する光学装置であり、被写体の静止画撮影や動画撮影に用いられるカメラ(例えば車載カメラ)の主たる構成要素を成すものである。そして、第１の実施の形態と同様、画素毎の感度の違いに起因する画素間の出力差(シェーディング，固定パターンノイズ等)を補正するために、明るさの均一な光をイメージセンサー１３に照射して補正データを取得するキャリブレーション機能を有している。

第２の実施の形態の特徴は透光性カバーＶ２の面形状にあり、その面形状以外は第１の実施の形態と同様の構成になっている。つまり、透光性カバーＶ２は、撮像レンズ１１側に凹面を向けた回転楕円面形状になっており、被写体側からの入射光の一部を透過させ、かつ、凹面側からの入射光の一部を反射させる部分反射透過面Ｒ２を有している。回転楕円面の２つの焦点Ｆ１，Ｆ２のうち、第１焦点Ｆ１の位置には照明光源１５の発光面が位置しており、第２焦点Ｆ２の位置には撮像レンズ１１の前側焦点面が位置している。このように照明光源１５の発光面と撮像レンズ１１の前側焦点面との共役関係(又は略共役な関係)を成立させることにより、第１の実施の形態と比較して、照明光をより効率良く利用することが可能となる。なお、上記のような共役関係が成立するならば、透光性カバーＶ２の面形状は回転楕円面形状に限らない。例えば、球面反射面での各共役点に照明光源１５の発光面と撮像レンズ１１の前側焦点面をそれぞれ配置する構成でもよい。

照明光源１５からの照明光を効率良く集光して撮像レンズ１１に入射させるには、入射光の一定光量を反射させ一定光量を透過させる部分反射コートを透光性カバーＶ２の回転楕円面に施して、部分反射透過面Ｒ２を構成することが望ましい。部分反射コートとしては、例えば、反射特性の波長依存性が少ない金属コートが望ましく、必要に応じ反射透過面Ｒ２で照明光が拡散反射するようにしてもよい。また部分反射コートとして、反射特性に狭帯域な波長特性を持つ多層膜コートを用いてもよい。多層膜コートの反射波長と照明光源１５の発光波長とをほぼ一致させれば、撮像光に与える影響を少なくすることができるので、撮像時により高品位な映像を撮影することができる。なお、透光性カバーＶ２の部分反射透過面Ｒ２が回転楕円面から成っているため、イメージセンサー１３の受光面上に形成される光学像には歪曲収差が発生する可能性がある。その場合、補正光学系を入れて収差補正を行うか、あるいは信号処理を追加することにより画像を再配置することにより補正を行えばよい。

《第３の実施の形態》
図３に、撮像装置の第３の実施の形態をブロックダイアグラムで示す。図３において、Ｖ３は透光性カバー、Ｋはカバー部材、Ｈは体積位相型ホログラムである。この撮像装置も、第１の実施の形態等と同様、被写体の映像を光学的に取り込んで電気的な信号として出力する光学装置であり、被写体の静止画撮影や動画撮影に用いられるカメラ(例えば車載カメラ)の主たる構成要素を成すものである。そして、第１の実施の形態と同様、画素毎の感度の違いに起因する画素間の出力差(シェーディング，固定パターンノイズ等)を補正するために、明るさの均一な光をイメージセンサー１３に照射して補正データを取得するキャリブレーション機能を有している。

第３の実施の形態の特徴は透光性カバーＶ３がホログラフィック光学素子から成っている点にあり、それ以外は第２の実施の形態と同様の構成になっている。つまり、第２の実施の形態における透光性カバーＶ２の回転楕円面と等価な反射機能を、体積位相型ホログラムＨで構成しているのである。したがって、第２の実施の形態と同様、２つの焦点Ｆ１，Ｆ２のうち、第１焦点Ｆ１の位置には照明光源１５の発光面が位置しており、第２焦点Ｆ２の位置には撮像レンズ１１の前側焦点面が位置している。

透光性カバーＶ３は、カバー部材Ｋと、その撮像レンズ１１側に設けられた反射型の体積位相型ホログラムＨとから成っており、体積位相型ホログラムＨは、正の光学的パワーを有する部分反射透過面を構成している。このように反射型の体積位相型ホログラムＨで部分反射透過面を構成することが好ましく、それには以下のような理由がある。

第１に、平面やシリンダー面等の簡単な面形状を有する基板上に、非軸対称の凹面ミラー等のような複雑な光学的なパワーを、体積位相型ホログラムＨで持たせることができるからである。したがって、正の光学的パワーを高い自由度で構成することが可能である。第２に、体積位相型の反射型にすることによって、回折反射の波長特性に鋭い波長選択性が得られ、かつ、透過型に比べて高い回折効率ηが得られやすいからである。この波長選択性を利用して、照明光源１５の波長と体積位相型ホログラムＨの回折波長をほぼ一致させておけば、撮像する際の外界からの入射光にはほとんど影響を与えることがなく、かつ、照明光源１５からの照明光を効率良く反射させて照明光の利用効率を向上させることができる。図１１に、体積位相型ホログラムＨの狭帯域反射特性を示す(λ：波長，λ０：設計波長，η：回折効率)。

《第４の実施の形態》
図４に、撮像装置の第４の実施の形態をブロックダイアグラムで示す。第４の実施の形態の特徴は、透光性カバーＶ４の配置と、そのための体積位相型ホログラムＨの反射特性とにあり、それ以外は第３の実施の形態と同様の構成になっている。第３の実施の形態では、体積位相型ホログラムＨに対する入射角を緩和して反射効率を高めるために、撮像レンズ１１やイメージセンサー１３に対して所定の角度を持たせた配置になっている。それに対し、図４に示す第４の実施の形態では、体積位相型ホログラムＨがイメージセンサー１３に対して平行に(つまり撮像レンズ１１の光軸ＡＸに対して垂直に)配置されている。このような配置では、体積位相型ホログラムＨに対する照明光の入射角が大きくなるので、回折効率ηは低下するが、光学配置が容易になるといったメリットが得られる。また、撮像光学系が軸対称になるので、被写体からの光が透光性カバーＶ４を透過する際の収差の発生が抑えられ、その結果、結像性能の向上により高品位の映像を得ることが可能となる。

《第５の実施の形態》
図５に、撮像装置の第５の実施の形態をブロックダイアグラムで示す。第５の実施の形態の特徴は透光性カバーＶ５がシリンダー面形状を有する点にあり、それ以外は第３，第４の実施の形態と同様の構成になっている。第３，第４の実施の形態では、基板となるカバー部材Ｋの平面上に体積位相型ホログラムＨが構成されているが、第５の実施の形態では、基板となるカバー部材Ｋがシリンダー面形状を有し、そのシリンダー面上に体積位相型ホログラムＨが構成されている。この場合も第３の実施の形態と同様、体積位相型ホログラムＨに対する入射角を緩和して反射効率を高めることができる。シート状のホログラム感光材料(フォトポリマー等)を軸対称な凹面に貼ることは困難であるが、シリンダー面であればホログラム感光材料を貼ることは容易であり、回折効率ηの低下も抑えることができる。

《第６の実施の形態》
図６に、撮像装置の第６の実施の形態をブロックダイアグラムで示す。第６の実施の形態の特徴は、２つの照明光源１５Ａ，１５Ｂを有するとともに、それに対応した反射特性の体積位相型ホログラムＨを有する点にあり、それ以外は第４の実施の形態等と同様の構成になっている。第４の実施の形態では１つの照明光源１５が配置されているが、第６の実施の形態のように複数の照明光源１５Ａ，１５Ｂを配置すれば、より大光量で照明することが可能である。なお、照明光源１５Ａ，１５Ｂの発光量の調整は、画像処理部２３から輝度判定部２５に出力された照明光の情報に基づいて、照明制御部２６によりそれぞれ行われる。

第６の実施の形態では２つの照明光源１５Ａ，１５Ｂを用いているので、体積位相型ホログラムＨも各照明光源１５Ａ，１５Ｂに対応した反射特性を有している。その反射特性を図１２に示す(λ：波長，λ１：第１波長，λ２：第２波長，η：回折効率)。体積位相型ホログラムＨを多重露光又は貼り合わせの多層構造にて構成すれば、図１２に示すような狭帯域反射特性を得ることが可能である。そして、発光波長がそれぞれλ１，λ２である照明光源１５Ａ，１５Ｂ(発光ダイオード，半導体レーザ等)を用いれば、エネルギー利用効率を高くすることができる。イメージセンサー１３に関しては、その感度が各波長λ１，λ２をカバーするものであればよい。なお、第６の実施の形態の特徴を、３原色Ｒ・Ｇ・Ｂの各波長に対応した体積位相型ホログラム，照明光源及びイメージセンサーに適用すれば、カラー対応のキャリブレーションが可能である。

《第７の実施の形態》
図７に、撮像装置の第７の実施の形態をブロックダイアグラムで示す。第７の実施の形態の特徴は、体積位相型ホログラムＨが拡散特性を有する点にあり、それ以外は第４の実施の形態等と同様の構成になっている。照明光源の個数にかかわらず、体積位相型ホログラムＨに所定の拡散特性を持たせることも、イメージセンサー１３を一様に照明するのに有効である。体積位相型ホログラムＨに所定の拡散特性を持たせる場合には、製造誤差によりホログラム感光材料が傾いた場合でも製造誤差が緩和される。このため、照明光を撮像レンズ１１へ容易に導くことができる。しかも、体積位相型ホログラムＨは鋭いピークの波長特性を持つため、拡散特性を持たせても撮像光に対してほとんど影響が無く、撮像時には良好な光学像を形成することができる。

《２光束ホログラフィーによる体積位相型ホログラムの製造方法》
次に、第３〜第７の実施の形態に用いられる体積位相型ホログラムＨの製造方法を説明する。図９に２光束ホログラム露光装置の概略構成を示し、その要部を拡大して図１０に示す。図９において、３１はレーザー光源、３２はシャッター、３３はハーフミラー、３４ａ，３４ｂは反射ミラー、３５ａ，３５ｂ，３７はレンズ、３６ａ，３６ｂはピンホール板、ｈａ，ｈｂはピンホール、Ｋはカバー部材、Ｈａはホログラム感光材料である。反射型の体積位相型ホログラムＨの作製に用いるホログラム感光材料Ｈａとしては、フォトポリマー，銀塩材料，重クロム酸ゼラチン等が挙げられるが、なかでもドライプロセスでの低コストの製造が可能で耐久性・耐環境性にも優れるフォトポリマーが望ましい。

体積位相型ホログラムＨの作製に際し、まず、カバー部材Ｋのホログラム基板面上にホログラム感光材料Ｈａを固定する。それを２光束ホログラム露光装置にセットし、レーザー光源３１をＯＮした後、シャッター３２を開ける。すると、レーザー光源３１から射出した露光光束はハーフミラー３３で２光束に分割され、それぞれ反射ミラー３４ａ，３４ｂでの反射後、レンズ３５ａ，３５ｂ；ピンホールｈａ，ｈｂ；レンズ３７を経て所定の波面を形成し、カバー部材Ｋ上のホログラム感光材料Ｈａに入射する。ホログラム感光材料Ｈａ内には２つの波面による干渉縞が形成され、それが屈折率の高低(つまり屈折率変調)として露光記録される。露光する際の露光エネルギーは、レーザー光源３１の出力強度とシャッター３２が開となる時間により設定される。また、レーザー光の波長は照明光の波長とほぼ一致するように選択される。

露光後、ホログラム感光材料Ｈａに記録した各干渉縞をＵＶ(ultraviolet ray)照射，ベーク処理により定着すると、干渉縞パターンが露光記録された体積位相型ホログラムＨが得られる。得られた体積位相型ホログラムＨの回折反射特性は、図１１に示すように露光用レーザー光の波長λ０近傍で鋭いピークを持つ波長特性を持つことになる。仮にホログラム感光材料Ｈａの厚みを２０ミクロン、屈折率の変調量Δｎを０．０１とすれば、ピークの半値全幅は１０ｎｍ程度となる。

第３の実施の形態に用いる体積位相型ホログラムＨを作製するときの露光配置では、図１０における露光時の仮想集光点の位置ｆ１とピンホールｈｂの位置ｆ２を、図３における再生時の発光点(第１焦点)Ｆ１と集光点(第２焦点)Ｆ２にそれぞれ一致させればよい。このように体積位相型ホログラムＨを作製すれば、第１焦点Ｆ１に位置する照明光源１５の発光面から出た照明光は、第２焦点位置Ｆ２で集光することになる。したがって、第２焦点Ｆ２の位置を撮像レンズ１１の前側焦点位置と一致させておけば、イメージセンサー１３は一様に効率良く照明される。

《固体撮像素子の構成例》
次に、各実施の形態の撮像装置に用いられる固体撮像素子の一構成例について説明する。図１３は、二次元のＭＯＳ型固体撮像装置の一部の構成を概略的に示している。同図において、Ｇ11〜Ｇｍｎは行列配置（マトリクス配置）された画素を示している。２は垂直走査回路であり、行（ライン）４−１、４−２、…、４−ｎを順次走査していく。３は水平走査回路であり、画素から出力信号線６−１、６−２、…、６−ｍに導出された光電変換信号を画素毎に水平方向に順次読み出す。５は電源ラインである。各画素に対し、上記ライン４−１、４−２、…、４−ｎや出力信号線６−１、６−２、…、６−ｍ、電源ライン５だけでなく、他のライン（例えば、クロックライン等）も接続されるが、図１３ではこれらについて省略する。

出力信号線６−１、６−２、・・・、６−ｍごとにＮチャネルのＭＯＳトランジスタＱ１が図示の如く１組ずつ設けられている。出力信号線６−１を例にとって説明すると、ＭＯＳトランジスタＱ１のゲートは直流電圧線７に接続され、ドレインは出力信号線６−１に接続され、ソースは直流電圧ＶPS’のライン８に接続されている。そして、出力信号線６−１、６−２、・・・、６−ｍを通して出力される各画素の撮像時の画像データ及びリセット時の補正データが順次サンプルホールド回路９に与えられる。

このサンプルホールド回路９に対して、行毎に、画像データ及び補正データが出力されてサンプルホールドされる。そして、サンプルホールドされた画像データ及び補正データは、列毎に、出力回路１０に出力され、出力回路１０で感度バラツキによるノイズ成分が除去されるように、補正データに基づいて画像データが補正される。よって、出力回路１０より、各画素の感度バラツキが補正された画像データが、各画素毎にシリアルに出力される。

画素Ｇ11〜Ｇｍｎには、後述するように、それらの画素で発生した光電荷に基づく信号を出力するＮチャネルのＭＯＳトランジスタＴ２が設けられている。ＭＯＳトランジスタＴ２と上記ＭＯＳトランジスタＱ１との接続関係は図１４のようになる。ここで、ＭＯＳトランジスタＱ１のソースに接続される直流電圧ＶPS’と、ＭＯＳトランジスタＴ２のドレインに接続される直流電圧ＶPD’との関係はＶPD’＞ＶPS’であり、直流電圧ＶPS’は例えばグランド電圧（接地）である。

この回路構成は上段のＭＯＳトランジスタＴ２のゲートに信号が入力され、下段のＭＯＳトランジスタＱ１のゲートには直流電圧ＤＣが常時印加される。このため、下段のＭＯＳトランジスタＱ１は抵抗又は定電流源と等価であり、図１４の回路はソースフォロワ型の増幅回路となっている。この場合、ＭＯＳトランジスタＴ２から増幅出力されるのは電流であると考えてよい。尚、図１３及び図１４に示す構成は以下に説明する画素の一例に共通の構成である。

図１４のように構成することにより信号を大きく出力することができる。従って、画素がダイナミックレンジ拡大のために感光素子から発生する光電流を自然対数的に変換しているような場合は、そのままでは出力信号が小さいが、本増幅回路により充分大きな信号に増幅されるため、後続の信号処理回路（図示せず）での処理が容易になる。また、増幅回路の負荷抵抗部分を構成するＭＯＳトランジスタＱ１を画素内に設けずに、列方向に配置された複数の画素が接続される出力信号線６−１、６−２、…、６−ｍごとに設けることにより、負荷抵抗又は定電流源の数を低減でき、半導体チップ上で増幅回路が占める面積を少なくできる。

《画素構成の一例》
図１３に示した固体撮像素子の各画素に適用される一例について、図面を参照して説明する。図１５は、本例に使用する固体撮像素子に設けられた画素の構成を示す回路図である。

図１５において、ｐｎフォトダイオードＰＤが感光部（光電変換部）を形成している。そのフォトダイオードＰＤのアノードはＭＯＳトランジスタＴ４のドレインに接続され、このＭＯＳトランジスタＴ４のソースは、ＭＯＳトランジスタＴ１のドレインとゲート及びＭＯＳトランジスタＴ２のゲートに接続されている。ＭＯＳトランジスタＴ２のソースは行選択用のＭＯＳトランジスタＴ３のドレインに接続されている。ＭＯＳトランジスタＴ３のソースは出力信号線６（この出力信号線６は図１３の６−１、６−２、…、６−ｍに対応する）へ接続されている。尚、ＭＯＳトランジスタＴ１〜Ｔ４は、それぞれ、ＮチャネルのＭＯＳトランジスタでバックゲートが接地されている。

また、フォトダイオードＰＤのカソード及びＭＯＳトランジスタＴ２のドレインには直流電圧ＶPDが印加されるようになっている。一方、ＭＯＳトランジスタＴ１のソースには、信号φＶPSが印加される。また、ＭＯＳトランジスタＴ４のゲートに信号φＳが入力され、ＭＯＳトランジスタＴ３のゲートには信号φＶが入力される。尚、信号φＶPSは２値の電圧信号で、入射光量が所定値を超えたときにＭＯＳトランジスタＴ１をサブスレッショルド領域で動作させるための電圧をＶＨとし、また、この電圧よりも低くＭＯＳトランジスタＴ１を導通状態にする電圧をＶＬとする。このような構成の画素の動作について、以下に説明する。

図１６に示すタイミングチャートのように、パルス信号φＶがＭＯＳトランジスタＴ３のゲートに与えられて、出力信号が読み出されると、まず、信号φＳをローレベルとしてＭＯＳトランジスタＴ４をＯＦＦにすることで、リセット動作を行う。このとき、ＭＯＳトランジスタＴ１のソース側より負の電荷が流れ込み、ＭＯＳトランジスタＴ１のゲート及びドレイン、ＭＯＳトランジスタＴ２のゲート、そしてＭＯＳトランジスタＴ４のソースに蓄積された正の電荷が再結合される。よって、ある程度までリセットされて、ＭＯＳトランジスタＴ１のドレイン及びゲート下領域のポテンシャルが下がる。

このように、ＭＯＳトランジスタＴ１のドレイン及びゲート下領域のポテンシャルが基の状態にリセットされようとするが、そのポテンシャルがある値になると、そのリセットされる速度が遅くなる。特に、明るい被写体が急に暗くなった場合にこの傾向が顕著となる。よって、次に、ＭＯＳトランジスタＴ１のソースに与える信号φＶPSをＶＬとする。このように、ＭＯＳトランジスタＴ１のソース電圧を低くすることによって、ＭＯＳトランジスタＴ１のソースから流入する負の電荷の量が増加し、ＭＯＳトランジスタＴ１のゲート及びドレイン、ＭＯＳトランジスタＴ２のゲート、そしてフォトダイオードＰＤのアノードに蓄積された正の電荷が速やかに再結合される。

このように信号φＶPSをＶＬとしてリセットを行った後、信号φＶPSをＶＨとして、ハイレベルのパルス信号φＶをＭＯＳトランジスタＴ３のゲートに与えることによって、リセット時における補正データを読み出す。このとき、リセットされたＭＯＳトランジスタＴ１のゲート電圧がＭＯＳトランジスタＴ２のゲートに与えられ、このＭＯＳトランジスタＴ１のゲート電圧がＭＯＳトランジスタＴ２で電流増幅されて、ＭＯＳトランジスタＴ３を介して出力信号線６に出力される。

また、ＭＯＳトランジスタＴ２及びＭＯＳトランジスタＱ１（図１４）の導通時抵抗とそれらを流れる電流によって決まるＭＯＳトランジスタＱ１のドレイン電圧が、補正データとして出力信号線６に現れる。このようにして補正データが読み出されると、ＭＯＳトランジスタＴ３をＯＦＦにした後、信号φＳをハイレベルにして、次の撮像動作に備える。

信号φＳをハイレベルとして撮像動作が開始すると、フォトダイオードＰＤより入射光量に応じた光電荷がＭＯＳトランジスタＴ１に流れ込む。今、ＭＯＳトランジスタＴ１はカットオフ状態であるので、光電荷がＭＯＳトランジスタＴ１のゲートに蓄積される。よって、撮像する被写体の輝度が低くフォトダイオードＰＤに入射される入射光量が少ない場合は、ＭＯＳトランジスタＴ１のゲートに蓄積された光電荷量に応じた電圧がＭＯＳトランジスタＴ１のゲートに現れるため、入射光量の積分値に対して線形的に比例した電圧がＭＯＳトランジスタＴ２のゲートに現れる。

また、撮像する被写体の輝度が高くフォトダイオードＰＤに入射される入射光量が多く、ＭＯＳトランジスタＴ１のゲートに蓄積された光電荷量に応じた電圧が高くなると、ＭＯＳトランジスタＴ１がサブスレッショルド領域で動作を行うため、入射光量に対して自然対数的に比例した電圧がＭＯＳトランジスタＴ１のゲートに現れる。

このようにして、入射光量に対して線形的に又は自然対数的に比例した電圧がＭＯＳトランジスタＴ１，Ｔ２のゲートに現れ、先と同様に、パルス信号φＶをＭＯＳトランジスタＴ３のゲートに与えることによって、入射光量に対して線形的に又は自然対数的に比例したＭＯＳトランジスタＴ１のゲート電圧がＭＯＳトランジスタＴ２で電流増幅されて、ＭＯＳトランジスタＴ３を介して出力信号線６に出力される。また、ＭＯＳトランジスタＴ２及びＭＯＳトランジスタＱ１の導通時抵抗とそれらを流れる電流によって決まるＭＯＳトランジスタＱ１のドレイン電圧が、画像データとして出力信号線６に現れる。

このとき、対数変換動作に変わるときのＭＯＳトランジスタＴ１のゲート電圧に至るまでにＭＯＳトランジスタＴ１に流れ込む光電荷量が、全ての画素において等しくなる。このように、各画素における変換動作が対数変換動作に切り替わるときのフォトダイオードＰＤより発生する光電荷量が等しいので、各画素における変換動作が対数変換動作に切り替わるときのフォトダイオードＰＤに入射される入射光量も等しい。即ち、全ての画素において、その変換動作が線形変換動作から対数変換動作に切り替わるときの被写体の輝度が等しいものとなり、ＭＯＳトランジスタＴ１の閾値電圧の差異による各画素の変換動作の切換への影響を低減することができる。

また、リセット時における信号φＶPSの電圧値ＶＬ又は電圧値ＶＬとなる信号φＶPSを与える時間（図１６における時間ｔａに相当する）を変化させることによって、リセット直後のＭＯＳトランジスタＴ１のゲート電圧を変化させて、ＭＯＳトランジスタＴ１のゲート・ソース間のポテンシャルを変化させることができる。今、図１７に、電圧値ＶＬの大きさを変えたときの被写体輝度と固体撮像素子の出力との関係を示し、また、図１８に、電圧値ＶＬとなる信号φＶPSを与える時間を変化させたときの被写体輝度と固体撮像素子の出力との関係を示す。

電圧値ＶＬが低くなるほど、ＭＯＳトランジスタＴ１のゲート・ソース間のポテンシャルの差が大きくなるので、ＭＯＳトランジスタＴ１がカットオフ状態で動作する被写体輝度の割合が大きくなる。そのため、図１７のように、電圧値ＶＬが低いほど、線形変換する被写体輝度の割合が大きくなる。よって、被写体の輝度範囲が狭いほど電圧値ＶＬを低くし、被写体の輝度範囲が広いほど電圧値ＶＬを高くすればよいことが分かる。

また、電圧値ＶＬとなる信号φＶPSを与える時間ｔａが長くなるほど、ＭＯＳトランジスタＴ１のゲート電圧が低くなり、ＭＯＳトランジスタＴ１のゲート・ソース間のポテンシャルの差が大きくなるので、ＭＯＳトランジスタＴ１がカットオフ状態で動作する被写体輝度の割合が大きくなる。そのため、図１８のように、電圧値ＶＬとなる信号φＶPSを与える時間ｔａが長いほど、線形変換する被写体輝度の割合が大きくなる。よって、被写体の輝度範囲が狭いほど電圧値ＶＬとなる信号φＶPSを与える時間ｔａを長くし、被写体の輝度範囲が広いほど電圧値ＶＬとなる信号φＶPSを与える時間ｔａを短くすればよいことが分かる。

《その他》
なお、上述した各実施の形態には以下の構成を有する発明(i),(ii),…が含まれており、その構成によると、モード切り替え時に機械的な動作を行う必要がなく、固体撮像素子に明るさの均一な光を照射して補正データを取得することが可能な撮像装置を提供することができる。

(i) 光電変換特性が入射光量に対して対数的な固体撮像素子と、該固体撮像素子に被写体からの光を導くための撮像光学系と、該撮像光学系の被写体側を覆う透光性カバーと、該透光性カバーに向けて前記撮像光学系側から照明光を発する照明光源と、を備えた撮像装置であって、前記透光性カバーが、被写体からの光の一部を透過させて前記撮像光学系に入射させる機能と、前記照明光源からの照明光の一部を反射させて前記撮像光学系に入射させる機能と、を備えた部分反射透過面を有することを特徴とする撮像装置。

(ii) 前記部分反射透過面が、前記照明光源からの照明光を光学的に正のパワーで反射させることを特徴とする上記(i)記載の撮像装置。

(iii) 前記部分反射透過面が回転楕円面の形状を有することを特徴とする上記(i)又は(ii)記載の撮像装置。

(iv) 前記回転楕円面の第１焦点に前記照明光源の発光面が位置し、前記回転楕円面の第２焦点に前記撮像光学系の前側焦点が位置することを特徴とする上記(iii)記載の撮像装置。

(v) 前記部分反射透過面が体積位相型ホログラムから成ることを特徴とする上記(ii)記載の撮像装置。

(vi) 前記体積位相型ホログラムがシリンダー面の形状を有することを特徴とする上記(v)記載の撮像装置。

(vii) 前記照明光源から発せられる照明光の波長が、前記部分反射透過面の光反射波長帯域内にあることを特徴とする上記(i)〜(vi)のいずれか１項に記載の撮像装置。

(viii) 前記照明光源の発光波長と前記部分反射透過面の反射波長とが略一致することを特徴とする上記(vii)記載の撮像装置。

第１の実施の形態のシステム構成を示すブロックダイアグラム。 第２の実施の形態のシステム構成を示すブロックダイアグラム。 第３の実施の形態のシステム構成を示すブロックダイアグラム。 第４の実施の形態のシステム構成を示すブロックダイアグラム。 第５の実施の形態のシステム構成を示すブロックダイアグラム。 第６の実施の形態のシステム構成を示すブロックダイアグラム。 第７の実施の形態のシステム構成を示すブロックダイアグラム。 撮像光路に対し拡散板の着脱を行う装置構成を示すブロックダイアグラム。 ２光束ホログラム露光装置の概略構成を示す模式図。 図９の要部拡大図。 第３の実施の形態用の体積位相型ホログラムの反射特性を示すグラフ。 第６の実施の形態用の体積位相型ホログラムの反射特性を示すグラフ。 固体撮像素子の構成を示すブロック回路図。 図１３の固体撮像素子の一部を示す回路図。 図１３の固体撮像素子内の画素構成の一例を示す回路図。 図１５の構成の画素の動作を示すタイミングチャート。 被写体の輝度と固体撮像素子の出力との関係を示すグラフ。 被写体の輝度と固体撮像素子の出力との関係を示すグラフ。

符号の説明

１１ 撮像レンズ(撮像光学系の一部)
１２ ＩＲカットフィルター(撮像光学系の一部)
１３ イメージセンサー(固体撮像素子)
１４，１５，１５Ａ，１５Ｂ 照明光源
Ｖ１〜Ｖ７ 透光性カバー
Ｒ１，Ｒ２ 部分反射透過面
Ｋ カバー部材
Ｈ 体積位相型ホログラム(部分反射透過面)
２１ オペアンプ
２２ Ａ／Ｄコンバータ
２３ 画像処理部
２４ フレームメモリ(記憶手段)
２５ 輝度判定部
２６ 照明制御部

Claims (5)

1. 入射光量に応じて対数的に変化する出力信号を発生する固体撮像素子と、該固体撮像素子に光を導くための撮像光学系と、該撮像光学系を覆う透光性カバーと、前記固体撮像素子の周囲に配置された照明光源とを備え、前記透光性カバーが、前記照明光源からの照明光を反射させて前記撮像光学系に入射させる部分反射透過面を有することを特徴とする撮像装置。
2. 前記部分反射透過面が、前記照明光源からの照明光の入射側からみて光学的に正のパワーを有することを特徴とする請求項１記載の撮像装置。
3. 前記部分反射透過面が体積位相型ホログラムから成ることを特徴とする請求項２記載の撮像装置。
4. 前記照明光源から発せられる照明光の波長が、前記部分反射透過面の光反射波長帯域内にあることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の撮像装置。
5. 前記照明光源を発光させたときの前記固体撮像素子の出力信号を記憶するための記憶手段をさらに備えることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の撮像装置。

Images