JP2010500811A

JP2010500811A - ３次元デジタル立体画像再現用電荷結合素子

Info

Publication number: JP2010500811A
Application number: JP2009523704A
Authority: JP
Inventors: チョンナムリ
Original assignee: コソンエンタープライズカンパニーリミテッド
Priority date: 2006-08-08
Filing date: 2007-03-27
Publication date: 2010-01-07
Also published as: CA2660460A1; US20100188487A1; CN101506982B; KR20060100307A; CN101506982A; KR20080013651A; KR100843621B1; US8542269B2

Abstract

本発明は、立体画像を実現するための電荷結合素子に関するもので、別の追加装備なしで電荷結合素子の構成だけで鮮明で綺麗な画質の立体画像が実現できるように改善された電荷結合素子に関する。本発明によれば、被写体の画像イメージを出力するためにデジタル画像記録装置の内部に実装される電荷結合素子において、上部が開放されて内部に凹溝部が形成され、外側面にはデジタル画像記録装置の電子素子との情報伝達のためのチップピンが設けられた本体と、前記本体内部の下部に設けられて光に敏感な複数の光センサーが集まって構成された受光素子と、及び前記本体の開口部を覆うもので、幅の比率が一定な透明部と不透明部が交互に反復して配列されてなるスリット板とを有して構成され、レンズを通過した光が前記スリット板の透明部を通過するとき、光が直進する領域であるフレネル領域の距離を逸脱して、前記受光素子に画像情報が記録されるように前記スリット板と受光素子との間の距離を最適化したことを特徴とする３次元立体画像再現用電荷結合素子を提供する。

Description

本発明は、デジタル画像記録装置の電荷結合素子に関するもので、より詳細には、デジタルカメラ、デジタルカムコーダ及びデジタル医療画像機器などの各種デジタル画像記録装置内に実装される電荷結合素子（CCD；Charge Coupled Device）として、特に鮮明で綺麗な立体画像を得ることができるようにした電荷結合素子に関する。

人間の目は、横方向に約６５mm程度離れているが、これによって発生する両眼時差（Binocular disparity）は、立体感の最も重要要因と言える。即ち、左右の目は各々異なる２次元画像を見るようになり、この２つの画像が網膜を通じて脳に伝達されると、脳はこれを正確に相互融合させて本来の３次元立体画像の深み及び立体感を再生する。

最近までも各種光学器具や光学器具などの装置において立体形状を実現するために様々な試みが行われてきており、一部の技術は実用化に至った。例えば、偏光フィルタ方式は、直交する偏光素子の組み合わせによる遮光効果を利用して左右眼の画像を分離するもので、直交する偏光フィルタを取り付けたビデオプロジェクターなどにより左右画像をスクリーンに投射し、直交する偏光フィルタの付いためがねなどで観察する。この他に、視差のある左右の画像を順に交互に切り換えて両眼に提示し、これと同期して開閉するシャッターめがねを利用して立体視する方式の時分割立体表現方式もある。また他には、特殊めがねを必要としない無めがね方式として、パララックスバリア方式（parallax barrier method）、レンティキュラー方式（lenticular method）、及びホログラフィー（holography）などがある。パララックスバリア方式は、パララックスバリアと呼ばれる細いスリット状の開口部の背部に適当な間隔を置いて左右２眼分の画像を交互に配置し、特定の時点でこの開口部を通して見たとき正確に分離して立体画像を見ることができるようにしたものである。レンティキュラー方式は、半円筒状のレンチキュラースクリーン（lenticular screen）と呼ばれるレンズの焦点面に左右画像をストライプ状に配置し、レンチキュラーレンズ板を通して観察すると、レンチキュラーレンズ板の志向性に従って左右画像が分離され、めがねなしで立体視できる。上記方法以外にも、最近まで立体画像を正しく実現するために多くの試みがなされている。しかし、既存方式は、偏光めがねやレンティキュラーレンズなどの特別な装置を必要としたり、あるいは立体画像を実現するための装置の構成が非常に複雑になるという問題点があった。このため、製造コストが高価になり、一般消費者には接近することが難しいという問題がある。

２００１年６月２０日付けで本出願人により出願されて登録された特許文献１の「立体画像システム」は、かかる立体画像をより簡単かつ画期的に実現するためのものである。即ち、本発明と一体化された前記登録特許は、光がスリットを通過するとき、光が直進する領域であるフレネル領域（Fresnel region）より遥かに遠い距離に、像記録媒体であるフィルムなどを位置させることで、スリットにおける回折による残像の影響を受けない鮮明な立体画像が実現できる光学記録装置を提示している。

図１は、スリットを利用した立体画像記録光学機器の概略的構成図である。図２は、本出願人により提示されたスリット板を利用した立体画像記録装置の像形成概念図である。前記特許文献１では、従来のスリットを利用した光学機器がスリットを通過した光が直進する領域であるフレネル領域の範囲内で画像記録媒体であるフィルムなどに立体画像情報を記録するのと異なり、画像記録媒体であるフィルム２０３などを前記フレネル領域より遥かに離隔した距離に位置させて立体画像情報を記録することにより、スリット２０４の特性に伴う不要な残像が記録されるのを防止する。即ち、前記スリット２０４とフィルム２０３との間の最適な像形成距離は、スリット板の透明部と不透明部の幅の比率によって決定される。図２のａはスリットを通過した光が直進する領域であるフレネル領域の距離を示し、ｂはフレネル領域より遠い距離に像が形成されるようにした最適の像形成距離を示す。説明していない符号２０１は、画像記録装置の本体であり、２０２はレンズを示す。

上記特許文献１の特許発明は、アナログカメラやカムコーダなどのアナログ方式の光学機械に適用可能な技術であるが、最近は、デジタル方式の画像記録装置が主流となっている。

図３は、従来の一般的な電荷結合素子の縦断面図である。従来の電荷結合素子（CCD）３００は、上部が開放されて内部に凹溝部が形成され、その外側面には多数のチップピン３０３が設けられた本体３０１、前記本体の内部底面に実装される多数の画素からなる受光素子３０２、及び前記本体３０１の開口部を覆う透明ガラス板３０４で構成されている。このような電荷結合素子は、レンズを通過した画像光の明暗に敏感に反応する受光素子に光の画像情報による電荷を蓄積した後、これを外部のメモリ素子などに記録して格納するためのものとして、最近のデジタル画像記録装置は大部分これを採用している。従来のこのような電荷結合素子３００のみでは３次元立体画像を実現することができず、単にレンズを通過した光の明暗を記録できるだけで、立体画像を実現するためには別の装置やソフトウェアが必要になる。

韓国登録特許第１０−４２３１２４号公報

そこで、本発明の技術的課題は、デジタルカメラやデジタルカムコーダを含む各種デジタル画像記録装置などの内部に装着して、立体画像を別の追加手段なしで直接実現できるように改善した電荷結合素子を提供することである。

即ち、別の偏光めがねやレンティキューラレンズ及びその他の追加装置なしでもレンズを通過した光から電荷結合素子内の受光素子に直接立体画像に対する情報を記録し、これをメモリなどに格納することができるデジタル画像記録装置用電荷結合素子を提供することをその目的とする。

上記目的を達成するためになされた本発明は、次のような技術的特性を有する電荷結合素子（CCD）を提示する。

本発明は、被写体の画像イメージを出力するためにデジタル画像記録装置の内部に実装される電荷結合素子において、上部が開放されて内部に凹溝部が形成され、外側面にはデジタル画像記録装置の電子素子との情報伝達のためのチップピンが設けられた本体と、前記本体内部の下部に設けられて光に敏感な複数の光センサーが集まって構成された受光素子と、及び前記本体の開口部を覆うもので、幅の比率が一定な透明部と不透明部が交互に反復して配列されてなるスリット板とを有して構成されている。レンズを通過した光が前記スリット板の透明部を通過するとき、光が直進する領域であるフレネル領域の距離を逸脱して、前記受光素子に画像情報が記録されるように前記スリット板と受光素子との間の距離を最適化したことを特徴とする３次元立体画像再現用電荷結合素子を提供する。

ここで、前記スリット板上の互いに隣接する透明部を通過した回折光の交差点が前記受光素子の像記録面に位置するように、前記スリット板と前記受光素子間の距離を最適化することが好ましい。

また、前記スリット板の前部に別のカラーフィルタを設ける構成とすることができ、前記スリット板そのものをカラーフィルタと一体化するように構成できる。

前記透明部と不透明部との幅の比率は１：３〜１：６の範囲、或いは３：１〜６：１の範囲であることが好ましい。

前記スリット板の透明部と不透明部は、斜線状のスリットや同心円状のスリットから選択されるいずれか１つのスリット形状に形成することができる。

本発明の電荷結合素子によれば、透明部と不透明部の多数のスリットが交互に配列されるスリット板を利用して、立体画像情報をフレネル領域より遠い距離に位置する光記録媒体である受光素子に記録することにより、鮮明で残像のない良質の立体画像を実現できるという効果を有する。

また、前記幅の比率が一定な透明部と不透明部が交互に繰り返して配列されたスリット板をカラーフィルタと一体化することにより、装置の構成をより簡素化することができ、その結果、製造工程が簡単になり、製造コストも節減できるという経済的な効果を有する。

従って、本発明の電荷結合素子によれば、別の複雑な追加装置がなくても信頼できる品質の鮮明な立体画像を得ることができる。

スリットを利用した立体画像記録光学機器の概略的な構成図。本出願人により提示されたスリット板を利用した立体画像記録装置の像形成概念図。従来の一般的な電荷結合素子の縦断面図。本発明の一実施例による電荷結合素子の縦断面図。図４の電荷結合素子に装着されるスリット板の平面図及び部分拡大図。本発明の第２実施例によるスリット板の平面図。本発明の第３実施例によるスリット板の平面図。レンズを通過した光が透明部スリットを通過して受光素子に画像情報を記録する過程を概略的に示した図。像形成距離による画像イメージの違いを説明するために光の進行経路を概略的に示す図である。像形成距離による画像イメージの違いを説明するために光の進行経路を概略的に示す図である。像形成距離による画像イメージの違いを説明するために光の進行経路を概略的に示す図である。

図４は、本発明の一実施例による電荷結合素子の縦断面図であり、図５は、図４の電荷結合素子に装着されるスリット板の平面図及び部分拡大図である。

スリットを利用する通常の立体画像技術は、スリットを通過した光がフレネル領域内の範囲、即ち、光が直進する領域の範囲内で画像記録媒体に画像情報を記録するようになる。従って、このような従来方法によれば、スリットによる副作用が必ず発生し、記録された画像にはスリットの特性に起因する不要なパターンが発生してしまう。

本発明の電荷結合素子１００は、上部面が開放され、内部に凹溝部を形成し、その外側面の一部には画像記録装置の電子素子との情報伝達を行うためのチップピン１０３が設けられた本体１０１と、前記本体１０１の内部底面に位置し、伝達された光の画像情報を電気的な信号として記録するための受光素子１０２と、及び前記本体１０１の上部開口部を覆うものとして透明部１１１と不透明部１１２とからなる多数のスリットが交互に繰り返して配列されてなるスリット板１１０とを有して構成されている。

被写体の像は、レンズ（図示せず）を介して撮像素子である電荷結合素子１００の受光素子１０２の上に結像され、受光素子１０２に電荷として蓄積される。

受光素子１０２に蓄積された電荷は、プリプロセッサー（図示せず）などにより所定の処理を行った後、A/D変換器などを通じてメモリなどの記憶素子にデジタル情報として格納される。メモリなどに格納されるデジタル画像情報は、以降LCDなどの表示装置で画像イメージとしてディスプレイされる。

受光素子１０２は、光に敏感なシリコンなどからなる多数の光センサーや画像の集合を意味する。立体画像の記録のために、前記スリット板１１０と受光素子１０２上面の像記録面との距離を像形成距離と定義する場合、本発明の像形成距離は、スリット板１１０の透明部を通過した光が直進する領域であるフレネル領域を逸脱した領域に位置する。即ち、受光素子１０２の位置が前記フレネル領域より遠い距離に位置するようになる。被写体から反射されてレンズ（図示せず）を通過した光がスリット板１１０の透明部１１１を通過するとき、フレネル領域では光が回折せずに直進するようになり、フレネル領域の距離を逸脱すると、回折されて回折光が形成される。透明部１１１スリットを通過した光は、上記のように、受光素子１０２にスリットの特性に起因するパターンを形成するようになるが、像形成距離をゼロから始めて徐々に増加させると、フレネル領域を通過しながら次第に受光素子に記録される画像がスリットパターンの影響を受けなくなる。

本実施例では、図５に示すように、多数の鉛直の透明部１１１と不透明部１１２が交互に繰り返して配列されたスリット板１１０を使用する。前記透明部１１１と不透明部１１２の幅は、数マイクロメートル単位で形成することが好ましく、その幅の比率は、１：３〜１：６の範囲、或いは３：１〜６：１の範囲である。前記スリット板１１０は５０μm〜０．５mmの厚さに形成することができる。本発明のスリット板１１０による最適の像形成距離は、前記透明部１１１と不透明部１１２の各幅の大きさ及び各幅間の比率によって変わる。例えば、透明部１１１の幅が３０μmであり、不透明部１１２の幅が１８０μmである場合、本発明の像形成距離は１１〜１２mmである。本発明で留意すべきことは、透明部１１１は、スリット板１１０に開口部を設けて孔を開けたものではないことである。本発明のスリット板１１０は、光学用レンズやフィルタなどに使用される材質で形成したもので、前記透明部１１１は、不透明部１１２と異なって光を投影できるように透明に形成した部分である。

図８は、レンズを通過した光が透明部１１１スリットを通過して受光素子１０２に画像情報を記録する過程を概略的に示した図である。本発明の電荷結合素子１００内の受光素子１０２は、スリット板１１０からフレネル領域よりさらに離隔された距離に位置している。図示するように、レンズ４００を経て透明部１１１を通過する光は、フレネル領域１３２で直進し、透明部１１１の両角部の付近を通過する光は、回折されて回折光１１５を形成する。図面符号１１８は、本発明による像形成距離を示すもので、本発明の像形成距離はフレネル領域の範囲を逸脱する。

図９〜図１１は、像形成距離による画像イメージの違いを説明するために、光の進行経路を概略的に示す図である。

図９は、スリット板１１０と電荷結合素子１００の受光素子１０２間の距離が長すぎて、透明部１１１を通過した回折パターンの影響が発生する場合を示す。図１０は、スリット板１１０と受光素子１０２間の距離が短すぎて、透明部１１１を通過した回折パターンの影響が発生する場合を示す。本発明の像形成距離１１８、即ち、スリット板１１０と受光素子１０２間の距離は、上記のように、フレネル領域より長いが、その距離があまりにも長い場合は、隣接の透明部１１１を通過した光の回折光１１５による影響を受けるようになる。この場合、前記回折光１１５の交差点１１７は、スリット板１１０と受光素子１０２の上面である像記録面の間に位置するが、受光素子１０２に３次元立体画像情報が電荷に転換されて蓄積されるとき、前記回折光１１５による副作用により出力された立体画像のイメージに白線１２１の筋ムラが発生するようになる。

これに対して、像形成距離１１８が短すぎる場合は、図１０に示すように、回折光１１５の交差点１１７が受光素子１０２の像記録面の下方に位置し、出力された立体画像のイメージに黒線１２２の筋ムラが発生するようになる。このような白線や黒線の筋ムラは、出力される立体画像の画質を低下させる原因になる。

そこで、隣接の透明部１１１を通過した回折光１１５の交差点１１７と一致するところに受光素子１０２の像記録面が位置するようにすることで、回折光１１５による干渉パターンの影響の無い綺麗で鮮明な立体画像のイメージを得ることができる。

ここで、前記回折光１１５の交差点１１７が受光素子１０２の像記録面の上に位置するときのスリット板１１０と受光素子１０２の像記録面との距離を最適像形成距離と定義する。前記最適像形成距離は、透明部１１１と不透明部１１２の各々の幅の大きさによって変わり、また、透明部１１１と不透明部１１２間の幅の比率によって変わる。

前記スリット板１１０の上部に、前記スリット板１１０と離隔して、若しくは密着して別のカラーフィルタ（図示せず）が備えられることが好ましい。また、前記カラーフィルタは、前記スリット板１１０と一体型に形成することも可能である。この場合、別のカラーフィルタを装着する必要がないので、製造工程が短縮され、装置の構成がより自由になる。

＜実施例＞
図６は、本発明の他の実施例によるスリット板１４０を示す。本実施例では、透明部１４１と不透明部１４２が斜線方向に傾いて形成され、交互に反復して配列されている。このような斜線状スリットが形成されているスリット板１４０を使用することにより、スリットによる方向性を低減させることができる。

図７は、本発明のまた他の実施例によるスリット板１５０を示す。本実施例では、透明部１５１と不透明部１５２が互いに中心を共有する同心円状に交互に配置されており、このような形状のスリット板１５０を使用することによりスリットの方向性を容易に制御することができる。

本発明の電荷結合素子は、デジタルカメラ、デジタルカムコーダ及びデジタル医療画像装置など、デジタルを基盤とする大部分の画像記録装置に内蔵されるもので、本発明の立体画像再現のための電荷結合素子は、産業の全分野において活用度が高い。

また、本発明の電荷結合素子を採用したデジタル画像記録装置は、立体画像を実現するために別の追加装備を備える必要がないので、実際の様々な画像機器分野で広範囲な適用が期待できる。

Claims

被写体の画像イメージを出力するためにデジタル画像記録装置の内部に実装される電荷結合素子において、
上部が開放されて内部に凹溝部が形成され、外側面にはデジタル画像記録装置の電子素子との情報伝達のためのチップピンが設けられた本体と、
前記本体内部の下部に設けられて光に敏感な複数の光センサーが集まって構成された受光素子と、及び
前記本体の開口部を覆うもので、幅の比率が一定な透明部と不透明部が交互に反復して配列されてなるスリット板とを有して構成され、
レンズを通過した光が前記スリット板の透明部を通過するとき、光が直進する領域であるフレネル領域の距離を逸脱して、前記受光素子に画像情報が記録されるように前記スリット板と受光素子との間の距離を最適化したことを特徴とする３次元立体画像再現用電荷結合素子。
前記スリット板上の互いに隣接する透明部を通過した回折光の交差点が前記受光素子の像記録面に位置するように、前記スリット板と前記受光素子との間の距離を最適化することを特徴とする請求項１に記載の３次元立体画像再現用電荷結合素子。
前記スリット板の前部に別のカラーフィルタが設けられることを特徴とする請求項１に記載の３次元立体画像再現用電荷結合素子。
前記スリット板はカラーフィルタと一体化されることを特徴とする請求項１に記載の３次元立体画像再現用電荷結合素子。
前記透明部と不透明部との幅の比率は１：３〜１：６の範囲であることを特徴とする請求項１に記載の３次元立体画像再現用電荷結合素子。
前記透明部と不透明部との幅の比率は３：１〜６：１の範囲であることを特徴とする請求項１に記載の３次元立体画像再現用電荷結合素子。
前記スリット板の透明部と不透明部は、斜線状のスリットや同心円状のスリットから選択されるいずれか１つのスリット形状に形成することを特徴とする請求項１〜請求項５のいずれか一項に記載の３次元立体画像再現用電荷結合素子。