JP2016072295A

JP2016072295A - 撮像素子及び撮像装置

Info

Publication number: JP2016072295A
Application number: JP2014197112A
Authority: JP
Inventors: 義恭伊藤; Yoshiyasu Ito
Original assignee: NEC Corp
Current assignee: NEC Corp
Priority date: 2014-09-26
Filing date: 2014-09-26
Publication date: 2016-05-09
Also published as: US20160094799A1; EP3001665A1

Abstract

【課題】画素サイズを小さくすることなく、２次元的に分解能を向上させる。【解決手段】飛翔体の進行方向を行方向とし該行方向と直交する方向を列方向とした際に、列方向に伸びるリニアアレイセンサを複数含むセンサユニットが、行方向に複数設けられ、かつ、センサユニットが隣接するセンサユニット対して行方向に予め設定されたブロック間隔だけ離れて配置されると共に、列方向に予め設定されたシフト間隔だけ離れて配置されている。【選択図】図１

Description

本発明は、撮像素子及び撮像装置に関する。

近年、信号雑音比（ＳＮＲ：ｓｉｇｎａｌｎｏｉｓｅｒａｔｉｏ）が小さく、分解能の高い高品質な画像の取得が望まれている。取得画像の分解能は、主に撮像素子における画素サイズに依存し、画素サイズを小さくすることで分解能を向上させることができる。

しかし、画素サイズを小さくすると、蓄積電荷量が減少するため、ＳＮＲが劣化してしまう。特に、遅延積算（ＴＤＩ：ｔｉｍｅｄｅｌａｙｉｎｔｅｇｒａｔｉｏｎ）型の電荷結合素子（ＣＣＤ：ｃｈａｒｇｅｃｏｕｐｌｅｄｄｅｖｉｃｅ）においては、十分な光量が得られる光学系を使用した場合でもＳＮＲが悪くなってしまう。

このような問題に対し、例えば特開平１１−６８０８１号公報においては、図６に示すようなリニアセンサが開示されている。このリニアセンサは、入射光を光電変換して蓄積する画素１、２・・が主走査方向に配列されてなる３本のセンサ列１１１、１１２、１１３により形成されている。そして、センサ列１１１の後方にはセンサ列１１１に対してセンサピッチＰを主走査方向にＰ／３シフトしたセンサ列１１２が配置される。さらに、センサ列１２の後方にはセンサ列１２に対してセンサピッチＰを主走査方向にＰ／３シフトしたセンサ列１１３が配置されている。これにより再生画像の解像度を高めることのできるようにしている。

特開平１１−６８０８１号公報

しかしながら、特開平１１−６８０８１号公報にかかる構成では、センサピッチＰが列毎にＰ／３シフトした構成であるので主走査方向の分解能を向上させることができるが、列間隔についてはかかる規定がなされていない。従って、１次元的分解能の向上は可能であるが２次元的分解能の向上は行うことができない問題があった。

そこで、本発明の主目的は、画素サイズを小さくすることなく、２次元的な分解能を向上させることができる撮像素子及び撮像装置を提供することである。

上記課題を解決するため、飛翔体に搭載されて、被撮像体からの光を受光して電気信号に変換する撮像素子にかかる発明は、飛翔体の進行方向を行方向とし該行方向と直交する方向を列方向とした際に、列方向に伸びるリニアアレイセンサを複数含むセンサユニットが、行方向に複数設けられ、かつ、センサユニットが隣接するセンサユニット対して行方向に予め設定されたブロック間隔だけ離れて配置されると共に、列方向に予め設定されたシフト間隔だけ離れて配置されていることを特徴とする。

また、撮像装置にかかる発明は、飛翔体に搭載された上記記載の撮像素子と、該撮像素子により取得されたデータを用いて画像データを生成して出力するデータ処理装置と、を備えることを特徴とする。

本発明によれば、センサユニットを所定の条件で配置したので、画素サイズを小さくすることなく、２次元的に分解能を向上させることが可能になる。

本実施形態にかかる撮像装置のブロック図である。図１に示す撮像素子の画素配列構造と異なる他の画素配列構造を示す図である。公知の撮像素子の画素配列構造を示す図で、（ａ）は、図１に対応した公知の画素配置構造、（ｂ）は図２に対応した公知の画素配置構造、（ｃ）は（ａ）に示す撮像素子で取得された画素データを空間的に表現した空間情報を示す図である。図１に示す撮像素子で取得された空間情報を示す図である。分解能の向上を説明する図で、（ａ）は被撮像対象の輝度値分布、（ｂ）はセンサブロックにより得られた撮影データ、（ｃ）は他のセンサブロックにより得られた撮影データ、（ｄ）はセンサブロックと他のセンサブロックとにより得られた撮影データをデータ処理装置により合成したデータである。関連技術の説明に適用されるリニアセンサの構成を示す図である。

本発明の実施形態を説明する。衛星等の飛翔体におけるリモートセンシングには、複数の光電変換素子を一次元的に配置してなる撮像素子（リニアアレイセンサ）を用いて２次元画像を取得するプッシュブルーム（ｐｕｓｈｂｒｏｏｍ）方式が用いられることがある。このとき、撮像素子の方向は飛翔体の進行方向に対して直交するように設定され、所定時間毎に撮像された画像データを時間毎に展開することで、２次元の画像データが得られる。

図１及び図２は、このようなプッシュブルーム（ｐｕｓｈｂｒｏｏｍ）方式に用いて好適な本実施形態にかかる撮像装置２（２Ａ、２Ｂ）のブロック図である。撮像装置２は、少なくとも撮像素子３（３Ａ、３Ｂ）、データ処理装置４を備える。

以下、飛翔体の進行方向をｙ軸方向（又は行方向）とし、これに直交する方向をｘ軸（又は列方向）とする。また、画素ＰのサイズをＷと記載する。

撮像素子３は、Ｎ個のセンサユニット５を備える（Ｎは１以上の正の整数）。各センサユニット５は、行方向に間隔Ｄｙずれて配置され、また列方向に間隔Ｄｘずれて配置されている。センサユニット５は、Ｎ個のセンサブロック６を備える。各センサブロック６は、行方向に間隔Ｄｙずれて配置されている。センサブロック６は、複数のリニアアレイセンサ７を行方向に隣接して配置されている。このリニアアレイセンサ７は、各画素Ｐが列方向に複数配列して形成された、遅延積算型電荷結合素子である。

以下、間隔Ｄｘをシフト間隔Ｄｘ、間隔Ｄｙをブロック間隔Ｄｙと記載する。このとき、シフト間隔ＤｘはＤｘ＝Ｗ／Ｎで与えられ、ブロック間隔ＤｙはＤｙ＝Ｗ＊（ｋ＋１／Ｎ）で与えられる。但し、ｋは、１以上の正の整数である。そして、シフト間隔ＤｘはＸ軸方向（列方向）であり、ブロック間隔Ｄｙはｙ軸方向（行方向）である。

図１に示す撮像素子３Ａは、２個（Ｎ＝２）のセンサユニット５＿１、５＿２により形成されている。各センサユニット５＿１、５＿２は、４個（Ｎ＊Ｎ＝４）のセンサブロック６＿１〜６＿４により形成されている。各センサブロック６は、１個のリニアアレイセンサ７＿１により形成されている。

図２に示す撮像素子３Ｂは、図１に示す撮像素子３Ａに対してセンサブロック６が４個のリニアアレイセンサ７＿１〜７＿４により形成されている点で相違するが、動作は概ね同じである。そこで、以下の説明では、図１に示す撮像素子３Ａを例に説明する。

ここで、整数Ｎについて説明する。既存の撮像素子における画素サイズを変えずに（即ち、電荷蓄積量や画像データ転送時間等も変えずに）、分解能が向上する際の倍率を示す数である。例えば、Ｎ＝２の場合は、上記
シフト間隔Dx、ブロック間隔Dyの条件を満たした時には、Ｘ軸方向及びＹ軸方向の分解能がそれぞれ２倍（２次元画像で４倍の分解能）となる。

この作用効果を、図３に示す一般的な公知の撮像素子の画素配列構造を参考に、図４及び図５を参照して説明する。

なお、図３（ａ）は、図１に対応した公知の画素配置構造、図３（ｂ）は図２に対応した公知の画素配置構造、図３（ｃ）は図３（ａ）に示す撮像素子で取得された画素データを空間的に表現した空間情報（２次元画像データに対応）を示す図である。また、図４は、図１に示す撮像素子３Ａで取得された空間情報を示す図である。

そして、各画素Ｐは、（センサユニット５の番号、センサブロック６の番号、リニアアレイセンサ７の番号、リニアアレイセンサセンサ７の画素Ｐの番号）の符号により識別されている。例えば、図１において、（１、２、１、３）は、センサユニット５＿１、センサブロック６＿２、リニアアレイセンサ７＿１で３番目の画素Ｐであることを示している。

上述したように、本実施形態にかかる撮像素子３は、Ｎ個のセンサユニット５を備え、かつ、各センサユニット５の位置関係がシフト間隔Ｄｘやブロック間隔Ｄｙにより規定されている。

公知の撮像素子により得られる空間情報は、図３（ｃ）に示すように画素サイズＷに対応した範囲（Ｗ＊Ｗの範囲）に１つの情報（例えば、輝度値等）を持っている。なお、図３（ｃ）では、図３（ａ）の１個のリニアアレイセンサにより撮像して得られた画像データが撮影時間間隔（図１ではδｔ）毎に展開されて２次元画像を構成している。

これに対し、本実施形態にかかる撮像素子３Ａで得られる空間情報は、図４に示すように、画素サイズＷに対応した範囲に４つ情報を持つ。このことは、図４に示す空間情報は、図３（ｃ）に示す空間情報に対して４倍の分解能であることを意味する。

今、図５（ａ）に示すような輝度値分布を持つ物体（線状物体と考える）を、飛翔体が紙面に対し上方向に飛翔して撮像した場合を想定する。但し、図５に示す輝度値は、図１に示すセンサブロック６＿１とセンサブロック６＿３とにより得られた撮影データである。そして、図５（ｂ）はセンサブロック６＿１により得られた撮影データ、（ｃ）はセンサブロック６＿２により得られた撮影データである。また、図５（ｄ）はセンサブロック６＿１とセンサブロック６＿３とにより得られた撮影データをデータ処理装置４により合成したデータである。この合成したデータを全ての画素に対して表現した図が、図４の空間情報（撮影時刻δｔに含まれる横長の空間情報）に相当する。

図５（ｂ）のデータと図５（ｃ）のデータとは、画素サイズＷの半分だけずれている。これはセンサブロック６＿１とセンサブロック６＿３とがシフト間隔Ｄｘだけずれていることに対応している。無論、センサブロック６＿１とセンサブロック６＿３とは、撮影時刻が異なるため同時刻の撮影データではないので、データ処理装置４がかかる撮影時間の違いを時間調整している。即ち、センサブロック６＿３による撮影データを遅延させている。

このように公知の撮像素子における画素サイズに対して画素サイズを変えることなく、分解能を向上させることが可能になる。このとき、画像サイズが変わらないので、画素で蓄積される電荷量も変わらない。従って、ＳＮＲを低下させることなく分解能を向上させることが可能になる。

また、画素サイズを変えないため、画像データ転送速度も変える必要がない。従って、データ処理速度を変える必要がない。

２撮像装置
３、３Ａ、３Ｂ撮像素子
４データ処理装置
５、５＿１、５＿２センサユニット
６、６＿１〜６＿４センサブロック
７、７＿１〜７＿４リニアアレイセンサ

Claims

飛翔体に搭載されて、被撮像体からの光を受光して電気信号に変換する撮像素子であって、
前記飛翔体の進行方向を行方向とし該行方向と直交する方向を列方向とした際に、
前記列方向に伸びるリニアアレイセンサを複数含むセンサユニットが、前記行方向に複数設けられ、かつ、
前記センサユニットが隣接する前記センサユニット対して前記行方向に予め設定されたブロック間隔だけ離れて配置されると共に、前記列方向に予め設定されたシフト間隔だけ離れて配置されていることを特徴とする撮像素子。
請求項１に記載の撮像素子であって、
前記センサユニットは、１以上の前記リニアアレイセンサを前記行方向に並設されて形成されるセンサブロックを少なくとも１以上含み、かつ、隣接する前記センサブロックの前記行方向の間隔が前記ブロック間隔であることを特徴とする撮像素子。
請求項１又は２に記載の撮像素子であって、
前記リニアアレイセンサを構成する画素のサイズをWとしたとき、前記シフト間隔はＷ／Ｎ、前記ブロック間隔はＷ＊（ｋ＋１／Ｎ）［ｋ、Ｎは正の整数］で与えられることを特徴とする撮像素子。
請求項１乃至３のいずれか１項に記載の撮像素子であって、
前記リニアアレイセンサは、遅延積算型電荷結合素子であることを特徴とする撮像素子。
飛翔体に搭載された請求項１乃至４のいずれか１項に記載の撮像素子と、
該撮像素子により取得されたデータを用いて画像データを生成して出力するデータ処理装置と、
を備えることを特徴とする撮像装置。
請求項５に記載の撮像装置であって、
前記データ処理装置は、プッシュブルーム方式に従い画像データを生成することを特徴とする撮像装置。