JP4214060B2

JP4214060B2 - 撮像装置

Info

Publication number: JP4214060B2
Application number: JP2004000299A
Authority: JP
Inventors: 信次竹内
Original assignee: Fujinon Corp
Current assignee: Fujinon Corp
Priority date: 2004-01-05
Filing date: 2004-01-05
Publication date: 2009-01-28
Anticipated expiration: 2024-01-05
Also published as: DE102005000740A1; US20050146638A1; JP2005195742A

Description

本発明は撮像装置、特に長方形状の画素が設定された撮像素子を搭載する撮像装置の開口絞りに関する。

従来から、電子内視鏡、小型カメラ、デジタルカメラ、ビデオカメラ等の撮像装置では、ＣＣＤ（Charge Coupled Device）等の固体撮像素子によって被観察体、被写体の撮像が行われている。例えば、電子内視鏡では、開口絞り（固定絞り）を持つ対物光学系とＣＣＤが先端部に配置されており、ライトガイドで導かれた光源光の照明によって、被観察体が対物光学系を介してＣＣＤで撮像される。そして、このＣＣＤから出力された撮像信号につきプロセッサ装置等で各種の信号処理が施されることによって、モニタ画面上で被観察体を観察することができる。

図６には、従来のＣＣＤに設定されている画素形状が示されており、このＣＣＤ１では、図６（Ｂ）のように、画像（映像）の解像度を高めるために、縦横の比が１：１ではなく、縦長の長方形となる画素２が設定される。即ち、画像の解像度を高くするためには、図６（Ａ）のＣＣＤ１の画素数を多くする必要がある。しかし、このＣＣＤ１で撮像された映像はモニタで観察されることが多いことから、垂直方向の画素数がモニタ表示のための垂直走査線の数で制限されており、これ以上に増やしても垂直解像度が上がらない。そこで、画素２の形状を縦横の比が（１以上）：１となる縦長の長方形とし（横幅を短くし）、これにより水平方向の画素数を増やして（高画素化して）、水平解像度を高めることが行われている。なお、画素が横長の長方形に設定されているものも存在する。

特開平７−１４３４１０号公報特開平８−１８１２９９号公報

ところで、近年では、電子内視鏡では細径化の要請、その他の撮像装置でも小型化の要請からＣＣＤの小型化が図られており、また画像（映像）の解像度を高めるために、上述のようにＣＣＤの高画素数化が進められていることから、画素単位で得られる光量、明るさが低下する傾向にある。このため、従来の電子内視鏡では、光強度の高いキセノンランプ等を光源として使用することが行われるが、被観察体である人体への影響を考慮すると、照明される光強度にも限界がある。

一方、画像において不足する明るさを改善するために、ＣＣＤで得られた信号を増幅処理する方法も採られるが、この信号増幅の方法では、Ｓ／Ｎ比の低下により画質が悪化するという問題がある。

本発明は上記問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、Ｓ／Ｎ比や解像度を低下させることなく、画素単位で得られる光量、明るさを増やすことができ、撮像素子の小型化及び高画質化を促進することが可能になる撮像装置を提供することにある。

上記目的を達成するために、請求項１に係る発明は、画像を構成する画素が配設された撮像素子と、この撮像素子への入射光束を絞るための絞りと、を有する撮像装置において、上記撮像素子の画素形状が縦長の長方形である場合、上記絞りの開口を長方形の縦横比が略同一の楕円形状にしたことを特徴とする。

上記の構成によれば、撮像素子の画素形状が長方形である場合に、絞りの開口を長方形の縦横比が略同一の楕円形状とする。この結果、絞り開口の錯乱形状（錯乱円に相当する点光源の像形状）が画素形状と略一致することになり、絞りから入射される光（光束)の最大量を画素単位に入射させることができる。即ち、従来の撮像装置で一般に使用される絞りの開口は円形となっており、この円形開口の場合は、図６（Ｂ）に示されるように、錯乱円４が長方形の画素２よりも小さくなり、円形開口からの光を良好に画素領域に入射させることができない。本発明は、この錯乱円４を画素形状と略一致させることにより、照明光を高くすることなく、画素に入射される光量（画素単位における開口を通る光束）を増やすことができる。

本発明に係る撮像装置によれば、撮像素子の画素形状が縦長の長方形である場合に、絞りの開口を長方形の縦横比が略同一の楕円形状にしたので、解像度を低下させることなく、画素単位で得られる光量、明るさを増やすことができ、また信号増幅処理による明るさ調整の回避によってＳ／Ｎ比の低下もなくすことができ、撮像素子の小型化及び高画質化を促進することが可能となる。

図１には、実施例に係る撮像装置としての電子内視鏡装置の構成が示されており、この電子内視鏡装置では、スコープ１０の先端部に照明用レンズ１２及びライトガイド１３が配置される。このライトガイド１３は、光源装置１４に接続され、この光源装置１４内には集光レンズ１５、可変絞り１６及び光源１７が設けられており、この光源１７の光がライトガイド１３を介してスコープ先端部から被観察体Ｓへ照射される。一方、スコープ１０の先端部には、対物光学系として観察用レンズ２０、拡大のための可動レンズ等を含むレンズ群２１が設けられており、このレンズ群２１の中に詳細は後述するが、固定絞り２２（Ａ〜Ｃ）が配置される。

この対物光学系（２０〜２２）の後側に、固体撮像素子であるＣＣＤ２４が設けられ、このＣＣＤ２４の撮像面が上記固定絞り２２を含む対物光学系よって結像される位置に配置される。このＣＣＤ２４には、画素単位の電荷の蓄積制御をすると共に出力された電荷蓄積信号を画像（映像）信号として各種の映像処理をする信号処理回路２５が接続され、この信号処理回路２５の出力はプロセッサ装置へ供給される。

図２には、上記ＣＣＤ２４で設定される画素形状の例が示されており、図２（Ａ）に示されるＣＣＤ２４では、異なる画素数に対応した形状の画素Ｋが設定される。この画素Ｋの形状は、一般には、図２（Ｂ）のように長方形（矩形）画素Ｋ_１となっているが、図２（Ｃ）のような鉤形状（Ｌ字）画素Ｋ_２、図２（Ｄ）のような階段状画素Ｋ_３や多角形の画素を設定することが可能である。

図３には、実施例ではないが、本願発明を理解するために、上記絞り２２に設定可能な開口形状が示されている。図３（Ａ）は、上記図２（Ｂ）の画素Ｋ_１に対応したもので、この絞り（固定絞り）２２Ａでは、画素Ｋ_１の長方形の縦（ｙ）横（ｘ）比と同一の相似形となる長方形開口Ｒ_１が設けられる。図３（Ｂ）は、上記図２（Ｃ）の画素Ｋ_２に対応したもので、この絞り２２Ｂでは、上記画素Ｋ_２の鉤形状と相似形となる鉤形状開口Ｒ_２が設けられ、図３（Ｃ）は、上記図２（Ｄ）の階段状画素Ｋ_３に対応したもので、この絞り２２Ｃでは、上記画素Ｋ_３の形状と相似形となる開口Ｒ_３が設けられる。

このような相似形開口Ｒ_１〜Ｒ_３の絞り２２Ａ〜２２Ｃを有する対物光学系によれば、ＣＣＤ２４上の結像面（撮像面）において開口Ｒ_１〜Ｒ_３の錯乱形状（錯乱円に相当するもの）が画素Ｋ_１〜Ｋ_３の形状に一致することになる。即ち、長方形開口Ｒ_１を持つ絞り２２Ａでは、その錯乱長方形が画素Ｋ_１の長方形に一致し（重なり）、鉤形状開口Ｒ_２を持つ絞り２２Ｂでは、その錯乱鉤形状が画素Ｋ_２の鉤形状に一致し、絞り２２Ｃでも、その錯乱形状が画素Ｋ_３の形状に一致する。従って、この相似形の開口Ｒ_１〜Ｒ_３によれば、図６（Ｂ）の従来の円形開口の場合と比較すると、結像光を効率よく画素Ｋ_１〜Ｋ_３の領域に入射させることができ、照明光を強くすることなく、画素単位の光量（明るさ）を増加させることが可能となる。例えば、上記開口Ｒ_１の縦横比が１．１６：１となる場合、円形開口に比べ約２０％の光量増加が達成される。

図４には、円形開口と、実施例の楕円形開口に近似する長方形開口における画像解像度を評価するためのＰＳＦ（Point Spread Function−点像強度分布関数）が示されている。図４（Ａ）は従来の円形開口のグラフ、図４（Ｂ）は縦横比が１．１６：１の長方形開口のグラフ、図４（Ｃ）は縦横比が１．５７：１の長方形開口のグラフであり、これらのグラフは、ＣＣＤ２４の出力から求めたものである。これらのグラフに示されるように、図４（Ｂ），（Ｃ）の長方形開口の場合も、縦（ｙ）方向を示す実線と横（ｘ）方向を示す点線は略重なり、かつ曲線の上部から裾野への広がりも図４（Ａ）の円形開口の場合と略同一となり、ＭＴＦ（Modulation Transfer Function）特性が一致することになる。即ち、従来の図６のように縦長の長方形画素２に対して縦横比が１：１となる円形開口の絞りを用いる場合、ＭＴＦ特性においては横(水平)方向に比べ縦（垂直）方向に余裕があり、実施例の楕円形開口に近似する縦長の長方形開口Ｒ_１としても、ＭＴＦ特性は変わらず、解像度を損なうことがない。

また、上記絞り２２Ａ〜２２Ｃの開口は、その角部を丸くした形状（円弧状）とすることができ、実施例では、図３（Ａ）に示されるように、絞り２２Ａの場合は、長方形画素Ｋ_１と縦（ｙ）軸と横（ｘ）軸の比が同一となる楕円形の開口Ｅ_１としている。これによれば、開口Ｅ_１を介した結像光を効率よく画素Ｋ_１の領域に入射させることができ、従来よりも画素単位の光量が増加することになる。なお、参考であるが、図３（Ｂ），（Ｃ）に示されるように、絞り２２Ｂ，２２Ｃの場合は、１８０度以内の角度の角部を円弧状とした開口Ｅ _２，Ｅ _３とすることができる。

更に、ＣＣＤ等の撮像素子では、その上面側に画素単位でマイクロレンズ（オンチップレンズ）を設ける場合があり、このマイクロレンズの形状と画素形状が異なるときには、マイクロレンズ形状を考慮して絞り形状を設定することが好ましい。例えば、図５に示されるように、長方形画素Ｋ_１に対し楕円形のマイクロレンズＭ_１が形成されるとき、上記絞り２２Ａの開口をマイクロレンズＭ_１の楕円形に略相似となる形に設定する（図３の開口Ｅ_１と同様となる）。

上記実施例では、開口絞りとして固定絞り２２Ａを用いた例を示したが、本発明は可変絞りにも適用することができ、この可変絞りとしては、例えば図３の絞り２２Ａにおいて開口Ｒ_１，Ｅ _１と相似となる複数の開口の絞りを製作し、これらの絞りを選択的に出し入れすることにより開口量を変えるようにしてもよいし、また上記絞り２２Ａを対角線方向で二つに分離し、この二つの絞り部材を対角線方向へ移動させるようにして開口量を変えてもよい。

また、実施例は電子内視鏡装置で説明したが、その他の小型カメラ、デジタルカメラ、ビデオカメラ等に同様に適用することができる。

本発明の実施例に係る撮像装置としての電子内視鏡装置の構成を示す図である。実施例のＣＣＤで設定される画素形状を示し、図（Ａ）はＣＣＤの図、図（Ｂ）〜（Ｄ）は画素形状の図である。図（Ａ）は実施例の長方形開口を持つ絞りの図、図（Ｂ）は参考例の鉤形状開口を持つ絞りの図、図（Ｃ）は参考例の階段状開口を持つ絞りの図である。実施例の楕円形開口に近似する長方形開口の絞りと従来の円形開口の絞りにおけるＰＳＦ（点像強度分布関数）を示すグラフ図である。実施例でマイクロレンズが設けられる場合の長方形画素とマイクロレンズの形状を示す図である。従来のＣＣＤで設定される画素形状と円形開口による錯乱円を示す図である。

符号の説明

２，Ｋ，Ｋ_１〜Ｋ_３…画素、
Ｒ_１〜Ｒ_３，Ｅ_１〜Ｅ_３…絞り開口、
１０…スコープ（電子内視鏡）、
１３…ライトガイド、１４…光源装置、
１７…光源、
２１…レンズ群（対物光学系）、
２２…固定絞り、２４…ＣＣＤ。

Claims

画像を構成する画素が配設された撮像素子と、この撮像素子への入射光束を絞るための絞りと、を有する撮像装置において、
上記撮像素子の画素形状が縦長の長方形である場合、上記絞りの開口を長方形の縦横比が略同一の楕円形状にしたことを特徴とする撮像装置。