JP5665107B2 - 撮像装置、撮像方法及び撮像回路 - Google Patents
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Description
本発明は、所定の操作方向に移動することで撮像対象を光学走査し、当該撮像対象の撮像を行う撮像装置、撮像方法及び撮像回路に関する。
従来、スキャナによる撮像や、衛星の軌道を利用した衛星観測など、所定の走査方向に撮像対象を走査して撮像を行う場合、走査方向と直交する方向（以下、ライン方向と称する）に１画素に対応する受光素子を複数配列したラインＣＣＤ（Charge Coupled Device：電荷結合素子）という光検出器を用いて撮像を行っている。
以下に、図を用いて、ラインＣＣＤを用いた撮像装置による従来の撮像方法を説明する。
図６は、従来の撮像装置による撮像方法を示す図である。
まず、撮像装置は、撮像を開始すると、図６（ａ）に示すように、走査方向に移動する。次に、ラインＣＣＤの受光素子の各々は、撮像対象の１画素として取得するエリア（以降、画素エリアと称する）から受光し、図６（ｂ）に示すように、光電変換によって受光した光量に対応する電荷を蓄積する。ラインＣＣＤがある画素エリアの走査を終了すると、図６（ｃ）に示すように、受光素子の各々は、蓄積した電荷を出力レジスタに出力し、図６（ｄ）に示すように、次の画素エリアからの受光を開始する。これにより、ラインＣＣＤは、順次ライン方向の画素エリアの光量に対応する電荷を出力する。そして、当該出力された電荷をライン方向の画素情報に変換し、当該画素情報を走査方向に並べることで、撮像対象の画像を得ることができる。
図６は、従来の撮像装置による撮像方法を示す図である。
まず、撮像装置は、撮像を開始すると、図６（ａ）に示すように、走査方向に移動する。次に、ラインＣＣＤの受光素子の各々は、撮像対象の１画素として取得するエリア（以降、画素エリアと称する）から受光し、図６（ｂ）に示すように、光電変換によって受光した光量に対応する電荷を蓄積する。ラインＣＣＤがある画素エリアの走査を終了すると、図６（ｃ）に示すように、受光素子の各々は、蓄積した電荷を出力レジスタに出力し、図６（ｄ）に示すように、次の画素エリアからの受光を開始する。これにより、ラインＣＣＤは、順次ライン方向の画素エリアの光量に対応する電荷を出力する。そして、当該出力された電荷をライン方向の画素情報に変換し、当該画素情報を走査方向に並べることで、撮像対象の画像を得ることができる。
また、特許文献１に、ラインＣＣＤによって撮像した画像の走査方向に生じるボケを改善する手法が開示されている。
しかしながら、従来の撮像方法では、撮像対象の走査方向への移動または、操作方向へ移動する撮像装置からの撮像により、受光素子の各々に蓄積される電荷は２つの画素エリアにまたがる。このため取得した画像の走査方向にボケが生じ、鮮明な画像の取得ができないという問題があった。
以下に、画像の走査方向にボケが生じる理由を、図を用いて説明する。
図７は、画像の走査方向にボケが生じる理由を示す図である。
画素エリアＢの走査を行う場合、すなわち図７（ａ）から図７（ｂ）に遷移する場合を例に説明すると、ラインＣＣＤの受光素子の各々は、画素エリアＡと画素エリアＢとの２つの画素エリアにまたがって受光を行うこととなる。具体的には、図７（ｃ）に示すように、画素エリアＢの受光開始時（以下、時刻Ｔ０と称する）には、ラインＣＣＤの受光素子の各々は、画素エリアＢから受光する光は無く、移動に伴い、画素エリアＢからの光量が増加し、画素エリアＢの受光終了時（以下、時刻Ｔ１と称する）には、ラインＣＣＤの受光素子の各々は、画素エリアＢの全面から受光する。一方、図７（ｄ）に示すように、時刻Ｔ０に、受光素子の各々は、画素エリアＡの全面から受光し、移動に伴い、画素エリアＡからの光量が減少し、時刻Ｔ１に、受光素子の各々は、画素エリアＡから受光する光が無くなる。
図７は、画像の走査方向にボケが生じる理由を示す図である。
画素エリアＢの走査を行う場合、すなわち図７（ａ）から図７（ｂ）に遷移する場合を例に説明すると、ラインＣＣＤの受光素子の各々は、画素エリアＡと画素エリアＢとの２つの画素エリアにまたがって受光を行うこととなる。具体的には、図７（ｃ）に示すように、画素エリアＢの受光開始時（以下、時刻Ｔ０と称する）には、ラインＣＣＤの受光素子の各々は、画素エリアＢから受光する光は無く、移動に伴い、画素エリアＢからの光量が増加し、画素エリアＢの受光終了時（以下、時刻Ｔ１と称する）には、ラインＣＣＤの受光素子の各々は、画素エリアＢの全面から受光する。一方、図７（ｄ）に示すように、時刻Ｔ０に、受光素子の各々は、画素エリアＡの全面から受光し、移動に伴い、画素エリアＡからの光量が減少し、時刻Ｔ１に、受光素子の各々は、画素エリアＡから受光する光が無くなる。
このように、受光素子は、走査する画素エリアからの光量と同じ光量を走査方向に隣接する他の画素エリアから受光することとなるため、ラインＣＣＤ等の一次元センサによって取得した画像には、走査方向にボケが生じることとなる。
本発明は上記の点に鑑みてなされたものであり、その目的は、一次元センサによって撮像した画像の走査方向に生じるボケを改善する撮像装置、撮像方法及び撮像回路を提供することにある。
本発明は上記の点に鑑みてなされたものであり、その目的は、一次元センサによって撮像した画像の走査方向に生じるボケを改善する撮像装置、撮像方法及び撮像回路を提供することにある。
本発明は上記の課題を解決するためになされたものであり、所定の走査方向に移動することで撮像対象を光学走査し、当該撮像対象の撮像を行う撮像装置であって、前記撮像装置の受光面上に配置され、前記撮像対象の１画素として取得するエリアの前記走査方向の長さより前記走査方向の長さが短い光検出窓からの受光量に応じて電荷を蓄積する受光手段と、前記受光手段が１画素として取得する撮像対象のエリアの光学走査を終了した時に当該受光手段が蓄積した電荷を出力する出力手段と、を備え、前記受光手段は、前記受光面上の前記走査方向に複数配列され、前記複数の受光手段の各々は、前記走査方向の側に隣接する他の受光手段が電荷の蓄積を開始した位置と同じ位置に自受光手段が位置するのに要する時間が経過した時に電荷の蓄積を開始し、前記走査方向の側に隣接する他の受光手段と前記時間だけずれたタイミングで同一の画素エリア分の電荷を蓄積し、前記出力手段は、前記受光面上の前記走査方向に複数配列された受光手段が、同一の画素エリアをそれぞれ走査して蓄積した電荷を加算して出力する、ことを特徴とする。
また、本発明は、所定の走査方向に移動することで撮像対象を光学走査し、当該撮像対象の撮像を行う撮像装置を用いた撮像方法であって、前記撮像装置の受光面上に配置され、前記撮像対象の１画素として取得するエリアの前記走査方向の長さより前記走査方向の長さが短い光検出窓を有する受光手段は、前記受光面上の前記走査方向に複数配列され、当該光検出窓からの受光量に応じて電荷を蓄積し、出力手段は、前記受光手段が１画素として取得する撮像対象のエリアの光学走査を終了した時に当該受光手段が蓄積した電荷を出力し、前記複数の受光手段の各々は、前記走査方向の側に隣接する他の受光手段が電荷の蓄積を開始した位置と同じ位置に自受光手段が位置するのに要する時間が経過した時に電荷の蓄積を開始し、前記走査方向の側に隣接する他の受光手段と前記時間だけずれたタイミングで同一の画素エリア分の電荷を蓄積し、前記出力手段は、前記受光面上の前記走査方向に複数配列された受光手段が、同一の画素エリアをそれぞれ走査して蓄積した電荷を加算して出力する、ことを特徴とする。
また、本発明は、所定の走査方向に移動することで撮像対象を光学走査し、当該撮像対象の撮像を行う撮像回路であって、前記撮像回路の受光面上に配置され、前記撮像対象の１画素として取得するエリアの前記走査方向の長さより前記走査方向の長さが短い光検出窓からの受光量に応じて電荷を蓄積する受光回路と、前記受光回路が１画素として取得する撮像対象のエリアの光学走査を終了した時に当該受光回路が蓄積した電荷を出力する出力回路と、を備え、前記受光回路は、前記受光面上の前記走査方向に複数配列され、前記複数の受光回路の各々は、前記走査方向の側に隣接する他の受光回路が電荷の蓄積を開始した位置と同じ位置に自受光回路が位置するのに要する時間が経過した時に電荷の蓄積を開始し、前記走査方向の側に隣接する他の受光回路と前記時間だけずれたタイミングで同一の画素エリア分の電荷を蓄積し、前記出力回路は、前記受光面上の前記走査方向に複数配列された受光回路が、同一の画素エリアをそれぞれ走査して蓄積した電荷を加算して出力する、ことを特徴とする。
本発明によれば、受光手段が有する検出窓の走査方向の長さは、画素エリアの走査方向の長さより短い。これにより、走査する画素エリアからの受光量が他の画素エリアからの受光量より多くなるため、取得した画像の走査方向のボケを改善することができる。
（第１の実施形態）
以下、図面を参照しながら本発明の第１の実施形態について詳しく説明する。
図１は、本発明の第１の実施形態による撮像装置の構成を示す概略ブロック図である。
撮像装置１００は、所定の走査方向に移動することで撮像対象を光学走査し、当該撮像対象の撮像を行う装置であって、第１の受光部１１（受光手段）、第１の電荷転送部１２、第１の緩衝レジスタ１３、第２の受光部２１（受光手段）、第２の電荷転送部２２、第２の緩衝レジスタ２３、出力制御部３０（出力手段）、出力レジスタ４０を備える。
以下、図面を参照しながら本発明の第１の実施形態について詳しく説明する。
図１は、本発明の第１の実施形態による撮像装置の構成を示す概略ブロック図である。
撮像装置１００は、所定の走査方向に移動することで撮像対象を光学走査し、当該撮像対象の撮像を行う装置であって、第１の受光部１１（受光手段）、第１の電荷転送部１２、第１の緩衝レジスタ１３、第２の受光部２１（受光手段）、第２の電荷転送部２２、第２の緩衝レジスタ２３、出力制御部３０（出力手段）、出力レジスタ４０を備える。
第１の受光部１１は、撮像装置１００の受光面上に、走査方向に直交し、撮像対象に平行する方向（以下、ライン方向と称する）に複数配列された受光素子を備える一次元センサである。受光素子は、光電変換により、光検出窓からの受光量に応じて電荷を蓄積する。光検出窓は、フォトダイオードなどによって構成され、電荷の蓄積はＣＣＤなどによって行われる。なお、光検出窓の走査方向の長さは、撮像対象の１画素とするエリア（以降、画素エリアと称する）の走査方向の長さの半分であるものとし、また光検出窓のライン方向の長さは、画素エリアのライン方向の長さと等しいものとする。
第１の電荷転送部１２は、第１の受光部１１が画素エリアからの受光を開始するタイミングで、第１の受光部１１が蓄積している電荷を第１の緩衝レジスタ１３に転送させるクロック信号を出力する。
第１の電荷転送部１２は、第１の受光部１１が画素エリアからの受光を開始するタイミングで、第１の受光部１１が蓄積している電荷を第１の緩衝レジスタ１３に転送させるクロック信号を出力する。
第２の受光部２１は、第１の受光部１１の走査方向の逆方向に隣接して配置され、第１の受光部１１と同様にライン方向に複数配列された受光素子を備える一次元センサである。なお、第１の受光部１１と同様に、光検出窓の走査方向の長さは、画素エリアの走査方向の長さの半分であるものとし、また光検出窓のライン方向の長さは、画素エリアのライン方向の長さと等しいものとする。
第２の電荷転送部２２は、第２の受光部２１が画素エリアからの受光を開始するタイミングで、第２の受光部２１が蓄積している電荷を第２の緩衝レジスタ２３に転送させるクロック信号を出力する。
出力制御部３０は、第２の緩衝レジスタ２３に電荷が転送されたタイミングで、第１の緩衝レジスタ１３及び第２の緩衝レジスタ２３が格納する電荷を出力レジスタ４０に転送させるクロック信号を出力する。
第２の電荷転送部２２は、第２の受光部２１が画素エリアからの受光を開始するタイミングで、第２の受光部２１が蓄積している電荷を第２の緩衝レジスタ２３に転送させるクロック信号を出力する。
出力制御部３０は、第２の緩衝レジスタ２３に電荷が転送されたタイミングで、第１の緩衝レジスタ１３及び第２の緩衝レジスタ２３が格納する電荷を出力レジスタ４０に転送させるクロック信号を出力する。
このような構成の撮像装置１００によって、受光面上に配置され、撮像対象の画素エリアの走査方向の長さより走査方向の長さが短い光検出窓を有する第１の受光部１１及び第２の受光部２１は、当該光検出窓からの受光量に応じて電荷を蓄積し、出力制御部３０は、第１の受光部１１及び第２の受光部２１が画素エリアの光学走査を終了した時に第１の受光部１１及び第２の受光部２１が蓄積した電荷を出力する。
これにより、一次元センサによって撮像した画像の走査方向に生じるボケを改善する。
これにより、一次元センサによって撮像した画像の走査方向に生じるボケを改善する。
次に、撮像装置１００の動作を説明する。
図２は、撮像装置の動作を示すシーケンス図である。
まず、撮像装置１００が撮像対象の撮像を開始すると、撮像装置１００は走査方向への移動を開始する。撮像装置１００が移動を開始すると、第１の電荷転送部１２は、第１の受光部１１に電荷転送クロックを出力する。これにより、第１の受光部１１は、受光素子の各々に蓄積された電荷を第１の緩衝レジスタ１３に転送することで蓄積された電荷をリセットし、電荷の蓄積を開始する。このとき、第１の緩衝レジスタ１３に転送された電荷は、撮像対象の光電変換によって蓄積された電荷ではなく、撮像開始以前に蓄積されたノイズであるため、緩衝レジスタ１３による以降の処理は省略する。また、第１の電荷転送部１２が電荷転送クロックを出力した時刻からｔ０／２が経過すると、第２の電荷転送部２２は、第２の受光部２１に電荷転送クロックを出力し、第２の受光部２１は、蓄積された電荷を第２の緩衝レジスタ２３に転送する。このとき第２の緩衝レジスタ２３に転送された電荷も撮像開始以前に蓄積されたノイズである。なお、第１の電荷転送部１２が電荷転送クロックを出力した時刻からｔ０／２が経過した時刻に第２の電荷転送部２２が電荷転送クロックを出力する理由は後述する。
図２は、撮像装置の動作を示すシーケンス図である。
まず、撮像装置１００が撮像対象の撮像を開始すると、撮像装置１００は走査方向への移動を開始する。撮像装置１００が移動を開始すると、第１の電荷転送部１２は、第１の受光部１１に電荷転送クロックを出力する。これにより、第１の受光部１１は、受光素子の各々に蓄積された電荷を第１の緩衝レジスタ１３に転送することで蓄積された電荷をリセットし、電荷の蓄積を開始する。このとき、第１の緩衝レジスタ１３に転送された電荷は、撮像対象の光電変換によって蓄積された電荷ではなく、撮像開始以前に蓄積されたノイズであるため、緩衝レジスタ１３による以降の処理は省略する。また、第１の電荷転送部１２が電荷転送クロックを出力した時刻からｔ０／２が経過すると、第２の電荷転送部２２は、第２の受光部２１に電荷転送クロックを出力し、第２の受光部２１は、蓄積された電荷を第２の緩衝レジスタ２３に転送する。このとき第２の緩衝レジスタ２３に転送された電荷も撮像開始以前に蓄積されたノイズである。なお、第１の電荷転送部１２が電荷転送クロックを出力した時刻からｔ０／２が経過した時刻に第２の電荷転送部２２が電荷転送クロックを出力する理由は後述する。
次に、第１の電荷転送部１２が初回の電荷転送クロックを出力してから、１つの画素エリアの走査を終了する時間ｔ０が経過すると、第１の電荷転送部１２は再度電荷転送クロックを出力する（ステップＳ１）。なお、１つの画素エリアの走査を終了する時間ｔ０とは、画素エリアの走査方向の長さに撮像装置の移動速度（走査速度）を乗じて得られる時間である。なお、電荷転送クロックは、時間ｔ０間隔毎に出力される。これにより、第１の受光部１１は、画素エリアの走査を終了する毎に蓄積された電荷をリセットすることができる。また、これにより、第１の緩衝レジスタ１３は、画素エリアの操作を終了する毎に当該画素エリアの電荷を蓄積することができる。
ステップＳ１で第１の電荷転送部１２が電荷転送クロックを出力すると、第１の受光部１１は、受光素子の各々に蓄積された電荷を第１の緩衝レジスタ１３に転送する（ステップＳ２）。第１の受光部１１が電荷を転送すると、第１の緩衝レジスタ１３は、転送された電荷を格納する（ステップＳ３）。また、第１の受光部１１は、電荷を転送すると、再度電荷の蓄積を開始する（ステップＳ４）。
次に、ステップＳ１で第１の電荷転送部１２が電荷転送クロックを出力した時刻からｔ０／２が経過すると、第２の電荷転送部２２は、第２の受光部２１に電荷転送クロックを出力する（ステップＳ５）。第２の電荷転送部２２が電荷転送クロックを出力するタイミングは、例えば、第１の電荷転送部１２が出力する電荷転送クロックを取得し、その時刻から時間ｔ０／２を計時し、時間ｔ０／２の経過後に電荷転送クロックを出力しても良い。または、予め第１の電荷転送部１２の電荷転送クロック出力から時間ｔ０／２だけずらして電荷転送クロックを出力するような回路によって出力させても良い。
以下に、第１の電荷転送部１２が電荷転送クロックを出力した時刻からｔ０／２が経過した時刻に第２の電荷転送部２２が電荷転送クロックを出力する理由について説明する。第２の受光部２１の撮像素子の光検出窓の走査方向の長さは、画素エリアの走査方向の長さの半分である。また、第１の受光部１１と第２の受光部２１とは走査方向に隣接して配置されている。そのため、第１の電荷転送部１２が電荷転送クロックを出力した時刻に第１の受光部１１が存在する位置と、第１の電荷転送部１２が電荷転送クロックを出力した時刻からｔ０／２が経過した時刻に第２の受光部２１が存在する位置とが同じとなる。これにより、第２の受光部２１は、第１の受光部１１が受光を開始した時刻からｔ０／２が経過した時刻に受光を開始することで、第１の受光部１１が受光を開始した位置と同じ位置で受光を開始することができる。
つまり、第１の電荷転送部１２が電荷転送クロックを出力した時刻から、第１の受光部１１の光検出窓の走査方向の上端と第２受光部２１の光検出窓の走査方向の上端との間の距離に移動速度を乗じて得られる時間が経過した時刻に、第２の電荷転送部２２が電荷転送クロックを出力することで、第２の受光部２１は、第１の受光部１１が受光を開始した位置と同じ位置で受光を開始することができる。
つまり、第１の電荷転送部１２が電荷転送クロックを出力した時刻から、第１の受光部１１の光検出窓の走査方向の上端と第２受光部２１の光検出窓の走査方向の上端との間の距離に移動速度を乗じて得られる時間が経過した時刻に、第２の電荷転送部２２が電荷転送クロックを出力することで、第２の受光部２１は、第１の受光部１１が受光を開始した位置と同じ位置で受光を開始することができる。
ステップＳ５で、第２の電荷転送部２２が電荷転送クロックを出力すると、第２の受光部２１は、受光素子の各々に蓄積された電荷を第２の緩衝レジスタ２３に転送する（ステップＳ６）。第２の受光部２１は、電荷を転送すると、再度電荷の蓄積を開始する（ステップＳ７）。また、第２の緩衝レジスタ２３は、転送された電荷を格納する（ステップＳ８）。
ステップＳ８で、第２の緩衝レジスタ２３が電荷の格納を完了した後、すなわち第２の電荷転送部２２が電荷転送クロックを出力した時刻から、電荷の転送が終了するのに十分な時間Δｔが経過すると、出力制御部３０は、第１の緩衝レジスタ１３及び第２の緩衝レジスタ２３に電荷転送クロックを出力する（ステップＳ９）。出力制御部３０が電荷転送クロックを出力すると、第１の緩衝レジスタ１３及び第２の緩衝レジスタ２３は、格納している電荷を出力レジスタ４０に転送する（ステップＳ１０）。第１の緩衝レジスタ１３及び第２の緩衝レジスタ２３が電荷を転送すると、出力レジスタ４０は、転送された電荷を格納する（ステップＳ１１）。これにより、第１の緩衝レジスタ１３が格納していた電荷と第２の緩衝レジスタ２３が格納していた電荷とを足し合わせた電荷が出力レジスタ４０に格納される。
出力レジスタ４０は、電荷を格納すると、当該格納した電荷を信号処理回路等に出力する（ステップＳ１２）。これにより、出力レジスタ４０は格納していた電荷をリセットし、次の電荷の転送を待機することができる。
出力レジスタ４０は、電荷を格納すると、当該格納した電荷を信号処理回路等に出力する（ステップＳ１２）。これにより、出力レジスタ４０は格納していた電荷をリセットし、次の電荷の転送を待機することができる。
次に、ステップＳ１で第１の電荷転送部１２が電荷転送クロックを出力した時刻からｔ０が経過すると、第１の電荷転送部１２は、第１の受光部１１に電荷転送クロックを出力する。以降、撮像が終了するまで上述した処理を繰り返す。これにより、撮像装置１００は、撮像対象を撮像することができる。
次に、本実施形態によって画像の走査方向のボケを改善することができることを説明する。
図３は、第１の受光部及び第２の受光部の受光量を示す図である。
ここでは、図３（ａ）〜図３（ｄ）に示す画素エリアＢの走査を行う場合、すなわち図３（ａ）から図３（ｄ）に遷移する場合を例に説明する。
第１の受光部１１は、図３（ａ）に示すように、時刻Ｔ０で画素エリアＢからの受光を開始し、図３（ｃ）に示すように、時刻Ｔ２で画素エリアＢからの受光を終了する。つまり、時刻Ｔ０から時刻Ｔ２までの時間が時間ｔ０である。
図３（ｅ）に示すように、時刻Ｔ０における第１の受光部１１の受光量のうち、画素エリアＢからの受光量は０であり、画素エリアＡからの受光量は、画素エリアＡの全体の光量の半分である。次に、移動に伴い、画素エリアＢからの受光量が増加し、また画素エリアＡからの受光量は減少する。時刻Ｔ１になると、第１の受光部１１は画素エリアＡ上を離れるため、画素エリアＢからの受光量は、画素エリアＢの全体の光量の半分となり、画素エリアＡからの受光量は０となる。その後、時刻Ｔ２に至るまで、第１の受光部１１は画素エリアＢ上を移動するため、画素エリアＢからの受光量は、画素エリアＢの全体の光量の半分であり、画素エリアＡからの受光量は０である。すなわち、時刻Ｔ０から時刻Ｔ２までの間に、第１の受光部１１は、画素エリアＡからの受光量の３倍の光量を画素エリアＢから受光できる。
図３は、第１の受光部及び第２の受光部の受光量を示す図である。
ここでは、図３（ａ）〜図３（ｄ）に示す画素エリアＢの走査を行う場合、すなわち図３（ａ）から図３（ｄ）に遷移する場合を例に説明する。
第１の受光部１１は、図３（ａ）に示すように、時刻Ｔ０で画素エリアＢからの受光を開始し、図３（ｃ）に示すように、時刻Ｔ２で画素エリアＢからの受光を終了する。つまり、時刻Ｔ０から時刻Ｔ２までの時間が時間ｔ０である。
図３（ｅ）に示すように、時刻Ｔ０における第１の受光部１１の受光量のうち、画素エリアＢからの受光量は０であり、画素エリアＡからの受光量は、画素エリアＡの全体の光量の半分である。次に、移動に伴い、画素エリアＢからの受光量が増加し、また画素エリアＡからの受光量は減少する。時刻Ｔ１になると、第１の受光部１１は画素エリアＡ上を離れるため、画素エリアＢからの受光量は、画素エリアＢの全体の光量の半分となり、画素エリアＡからの受光量は０となる。その後、時刻Ｔ２に至るまで、第１の受光部１１は画素エリアＢ上を移動するため、画素エリアＢからの受光量は、画素エリアＢの全体の光量の半分であり、画素エリアＡからの受光量は０である。すなわち、時刻Ｔ０から時刻Ｔ２までの間に、第１の受光部１１は、画素エリアＡからの受光量の３倍の光量を画素エリアＢから受光できる。
また、第２の受光部２１は、図３（ｂ）に示すように、時刻Ｔ１で画素エリアＢからの受光を開始し、図３（ｄ）に示すように、時刻Ｔ３で画素エリアＢからの受光を終了する。
図３（ｆ）に示すように、時刻Ｔ１における第２の受光部２１の受光量のうち、画素エリアＢからの受光量は０であり、画素エリアＡからの受光量は、画素エリアＡの全体の光量の半分である。次に、移動に伴い、画素エリアＢからの受光量が増加し、また画素エリアＡからの受光量は減少する。時刻Ｔ２になると、第２の受光部１１は画素エリアＡ上を離れるため、画素エリアＢからの受光量は、画素エリアＢの全体の光量の半分となり、画素エリアＡからの受光量は０となる。その後、時刻Ｔ３に至るまで、第２の受光部２１は画素エリアＢ上を移動するため、画素エリアＢからの受光量は、画素エリアＢの全体の光量の半分であり、画素エリアＡからの受光量は０である。すなわち、時刻Ｔ１から時刻Ｔ３までの間に、第２の受光部２１は、画素エリアＡからの受光量の３倍の光量を画素エリアＢから受光できる。
図３（ｆ）に示すように、時刻Ｔ１における第２の受光部２１の受光量のうち、画素エリアＢからの受光量は０であり、画素エリアＡからの受光量は、画素エリアＡの全体の光量の半分である。次に、移動に伴い、画素エリアＢからの受光量が増加し、また画素エリアＡからの受光量は減少する。時刻Ｔ２になると、第２の受光部１１は画素エリアＡ上を離れるため、画素エリアＢからの受光量は、画素エリアＢの全体の光量の半分となり、画素エリアＡからの受光量は０となる。その後、時刻Ｔ３に至るまで、第２の受光部２１は画素エリアＢ上を移動するため、画素エリアＢからの受光量は、画素エリアＢの全体の光量の半分であり、画素エリアＡからの受光量は０である。すなわち、時刻Ｔ１から時刻Ｔ３までの間に、第２の受光部２１は、画素エリアＡからの受光量の３倍の光量を画素エリアＢから受光できる。
第１の受光部１１及び第２の受光部２１の各々の受光量は、従来の手法によって蓄積される受光量の半分であるが、第１の受光部１１及び第２の受光部２１に蓄積された受光量を足し合わせることで、従来の手法によって蓄積される受光量と同じ受光量を得ることができる。したがって、本実施形態によれば、従来の手法によって蓄積される受光量と同じ受光量を得ることができ、さらに従来の手法より走査方向に生じるボケの度合いが少ない画像を出力することができる。
ボケの度合いが少ないことを具体的に説明すると、本実施形態では、空間分解能の評価指標であるＭＴＦ（Modulation Transfer Function：光学伝達関数）の値が従来の手法と比較して高くなるという効果が得られる。
例えば、受光素子の光検出窓の走査方向の長さを、画素エリアの走査方向の長さのα分の１とすると、ＭＴＦは、式（１）によって求めることができる。
例えば、受光素子の光検出窓の走査方向の長さを、画素エリアの走査方向の長さのα分の１とすると、ＭＴＦは、式（１）によって求めることができる。
ＭＴＦ＝ｓｉｎ（π／２α）／（π／２α） ・・・（１）
したがって、本実施形態による撮像装置では、受光素子の光検出窓の走査方向の長さを、画素エリアの走査方向の長さの２分の１としているため、α＝２となり、従来の手法（α＝１）の場合と比較して、ＭＴＦが約１．４１倍向上する。
以上、図面を参照してこの発明の第１の実施形態について詳しく説明してきたが、具体的な構成は上述のものに限られることはなく、この発明の要旨を逸脱しない範囲内において様々な設計変更等をすることが可能である。
例えば、本実施形態では、受光素子の光検出窓の走査方向の長さを、画素エリアの走査方向の長さの２分の１とする例を説明したが、これに限られず、受光素子の光検出窓の走査方向の長さを、画素エリアの走査方向の長さより短くすることで、同様の効果を得ることができる。なお、受光素子の光検出窓の走査方向の長さが短いほどボケの度合いは小さくなり、また、受光量は少なくなる。
例えば、本実施形態では、受光素子の光検出窓の走査方向の長さを、画素エリアの走査方向の長さの２分の１とする例を説明したが、これに限られず、受光素子の光検出窓の走査方向の長さを、画素エリアの走査方向の長さより短くすることで、同様の効果を得ることができる。なお、受光素子の光検出窓の走査方向の長さが短いほどボケの度合いは小さくなり、また、受光量は少なくなる。
なお、本実施形態では、第１の受光部１１、第２の受光部２１を備える例、つまり受光部を２つ備える例を説明したが、これに限られず、例えば受光部を３つ以上備える構成としても良い。但し、この場合、受光部の数に相当する電荷転送部及び緩衝レジスタが必要となる。なお、受光部の数を多くすることで、より大きい信号レベルを出力することができる。
また、十分な光量を確保できる場合、受光部を１つだけ備える構成としてもよい。この場合、従来の手法と比較して受光量が少なくなるが、ボケの度合いを小さくするという効果は得ることができる。
また、十分な光量を確保できる場合、受光部を１つだけ備える構成としてもよい。この場合、従来の手法と比較して受光量が少なくなるが、ボケの度合いを小さくするという効果は得ることができる。
（第２の実施形態）
以下、図面を参照しながら本発明の第２の実施形態について詳しく説明する。
図４は、本発明の第２の実施形態による撮像装置の構成を示す概略ブロック図である。
第２の実施形態による撮像装置１００は、第１の受光部１１及び第２の受光部２１がＴＤＩ（Time Delay Integration：遅延積算）機能を有するラインＣＣＤとなっており、他の構成は第１の実施形態と同じである。ここで、ＴＤＩ機能とは、撮像対象の光学走査と同期してＣＣＤの走査方向の逆方向に電荷移動を行い、通常得られる電荷をＴＤＩの段数に比例した倍率で積分することにより、より大きな電荷を得る機能である。そのため、第１の受光部１１及び第２の受光部２１は、それぞれ光検出窓と、当該光検出窓の受光量に応じた電荷を蓄積するＣＣＤ（電荷蓄積素子、垂直転送素子）とを、走査方向に複数備えている。
以下、図面を参照しながら本発明の第２の実施形態について詳しく説明する。
図４は、本発明の第２の実施形態による撮像装置の構成を示す概略ブロック図である。
第２の実施形態による撮像装置１００は、第１の受光部１１及び第２の受光部２１がＴＤＩ（Time Delay Integration：遅延積算）機能を有するラインＣＣＤとなっており、他の構成は第１の実施形態と同じである。ここで、ＴＤＩ機能とは、撮像対象の光学走査と同期してＣＣＤの走査方向の逆方向に電荷移動を行い、通常得られる電荷をＴＤＩの段数に比例した倍率で積分することにより、より大きな電荷を得る機能である。そのため、第１の受光部１１及び第２の受光部２１は、それぞれ光検出窓と、当該光検出窓の受光量に応じた電荷を蓄積するＣＣＤ（電荷蓄積素子、垂直転送素子）とを、走査方向に複数備えている。
第２の実施形態による撮像装置では、上述したステップＳ３で第１の受光部１１が電荷の蓄積を行うにあたり、第１の受光部１１のＣＣＤは、電荷の蓄積開始から時間ｔ０／２が経過した時に走査方向の逆方向に隣接するＣＣＤに蓄積した電荷を転送する。つまり、撮像装置が画素エリアの半分の距離を移動した時点で、電荷の転送が行われる。これにより、撮像装置が画素エリアを移動する間に、第１の受光部１１のＣＣＤは、電荷を２回に分けて次段のＣＣＤに転送する。
同様に、上述したステップＳ７で第２の受光部２１が電荷の蓄積を行う際、第２の受光部２１のＣＣＤは、電荷の蓄積開始から時間ｔ０／２が経過した時に走査方向の逆方向に隣接するＣＣＤに蓄積した電荷を転送する。
同様に、上述したステップＳ７で第２の受光部２１が電荷の蓄積を行う際、第２の受光部２１のＣＣＤは、電荷の蓄積開始から時間ｔ０／２が経過した時に走査方向の逆方向に隣接するＣＣＤに蓄積した電荷を転送する。
例えば、第１の受信部１１が、走査方向に第１のＣＣＤ、第２のＣＣＤを備える場合において、第１のＣＣＤが画素エリアＡの走査方向の上端から走査方向に画素エリアＢを走査し、時間ｔ０／２が経過した時、第１のＣＣＤが蓄積する電荷は、画素エリアＢからの受光によって発生した電荷より画素エリアＡからの受光によって発生した電荷のほうが多い。このとき、第１のＣＣＤが第２のＣＣＤに電荷を転送し、引き続き画素エリアＢの受光を行うと、画素エリアＢの走査を終了した時点で、第１のＣＣＤが蓄積する電荷は、画素エリアＡの受光量によって発生した電荷より画素エリアＢの受光量によって発生した電荷のほうが多くなる。
これにより、受光を行う画素エリアでない他の画素エリアによる発生電荷との混在を低下させることができる。このように、走査方向の電荷転送を複数回に分割して行うことにより、得られる画像のボケの度合いを小さくすることができる。
これにより、受光を行う画素エリアでない他の画素エリアによる発生電荷との混在を低下させることができる。このように、走査方向の電荷転送を複数回に分割して行うことにより、得られる画像のボケの度合いを小さくすることができる。
具体的には、ＭＴＦの値が第１の実施形態以上に、従来の手法と比較して高くなるという効果が得られる。
例えば、受光素子の光検出窓の走査方向の長さを、画素エリアの走査方向の長さのα分の１とし、ＣＣＤによる電荷の転送の分割回数をβとすると、ＭＴＦは、式（２）によって求めることができる。
例えば、受光素子の光検出窓の走査方向の長さを、画素エリアの走査方向の長さのα分の１とし、ＣＣＤによる電荷の転送の分割回数をβとすると、ＭＴＦは、式（２）によって求めることができる。
ＭＴＦ＝ｓｉｎ（π／２αβ）／（π／２αβ） ・・・（２）
したがって、本実施形態による撮像装置では、受光素子の光検出窓の走査方向の長さを、画素エリアの走査方向の長さの２分の１とし、ＣＣＤは電荷を２回に分けて転送しているため、α＝２、β＝２となり、従来の手法（α＝１、β＝１）の場合と比較して、約１．５３倍ＭＴＦが向上する。
以上、図面を参照してこの発明の第２の実施形態について説明してきたが、具体的な構成は上述のものに限られることはなく、この発明の要旨を逸脱しない範囲内において様々な設計変更等をすることが可能である。
例えば、本実施形態では、第１の受光部１１、第２の受光部２１のＣＣＤが、蓄積した電荷を２回に分けて隣接するＣＣＤに転送する場合を説明したが、これに限られず、ＣＣＤは、電荷転送を何回に分割して行っても良い。
例えば、本実施形態では、第１の受光部１１、第２の受光部２１のＣＣＤが、蓄積した電荷を２回に分けて隣接するＣＣＤに転送する場合を説明したが、これに限られず、ＣＣＤは、電荷転送を何回に分割して行っても良い。
図５は、本発明の実施例を示す撮像装置の構成図である。
図５に示すように、撮像装置２００は、光学部２０１、グレーデッドプリズム２０２、光電変換部２０３、バイアス電圧発生部２０４、信号処理回路部２０５、ＣＣＤ駆動信号発生部２０６、電源部２０７を備える。また、撮像装置２００は、人工衛星（飛翔体）に搭載され、人工衛星の移動により、地表（撮像対象）の光学走査を行う。つまり、走査方向は、人工衛星の移動方向となる。
光学部２０１は、グレーデッドプリズム２０２を介して撮像対象の光像をラインＣＣＤ２０３の受光面に結像する。なお、光学部２０１は、レンズなどにより構成される。
グレーデッドプリズム２０２は、光学部２０１を通した光を複数のバンドの光に分光する。
光電変換部２０３は、グレーデッドプリズム２０２が分光した光のそれぞれに対応するラインＣＣＤを複数備え、ラインＣＣＤの各々は、受光面に結像された光像を光電変換する。なお、光電変換部２０３は、上述した第１の実施形態、第２の実施形態における第１の受光部１１、第１の緩衝レジスタ１３、第２の受光部２１、第２の緩衝レジスタ２３、出力レジスタ４０を備える。
バイアス電圧発生部２０４は、光電変換部２０３のラインＣＣＤに必要なバイアス電圧を発生させる。
信号処理回路部２０５は、光電変換部２０３が出力した撮像信号を増幅するなどの信号処理を行い、イメージセンサ出力として外部の装置へ出力する。
ＣＣＤ駆動信号発生部２０６は、ラインＣＣＤの駆動に必要なクロック信号を発生させる。ＣＣＤ駆動信号発生部２０６は、上述した第１の実施形態、第２の実施形態における第１の電荷転送部１２、第２の電荷転送部２２、出力制御部３０を備える。
電源部２０７は、外部電源の入力を電圧に変換し、各処理部に供給する。
図５に示すように、撮像装置２００は、光学部２０１、グレーデッドプリズム２０２、光電変換部２０３、バイアス電圧発生部２０４、信号処理回路部２０５、ＣＣＤ駆動信号発生部２０６、電源部２０７を備える。また、撮像装置２００は、人工衛星（飛翔体）に搭載され、人工衛星の移動により、地表（撮像対象）の光学走査を行う。つまり、走査方向は、人工衛星の移動方向となる。
光学部２０１は、グレーデッドプリズム２０２を介して撮像対象の光像をラインＣＣＤ２０３の受光面に結像する。なお、光学部２０１は、レンズなどにより構成される。
グレーデッドプリズム２０２は、光学部２０１を通した光を複数のバンドの光に分光する。
光電変換部２０３は、グレーデッドプリズム２０２が分光した光のそれぞれに対応するラインＣＣＤを複数備え、ラインＣＣＤの各々は、受光面に結像された光像を光電変換する。なお、光電変換部２０３は、上述した第１の実施形態、第２の実施形態における第１の受光部１１、第１の緩衝レジスタ１３、第２の受光部２１、第２の緩衝レジスタ２３、出力レジスタ４０を備える。
バイアス電圧発生部２０４は、光電変換部２０３のラインＣＣＤに必要なバイアス電圧を発生させる。
信号処理回路部２０５は、光電変換部２０３が出力した撮像信号を増幅するなどの信号処理を行い、イメージセンサ出力として外部の装置へ出力する。
ＣＣＤ駆動信号発生部２０６は、ラインＣＣＤの駆動に必要なクロック信号を発生させる。ＣＣＤ駆動信号発生部２０６は、上述した第１の実施形態、第２の実施形態における第１の電荷転送部１２、第２の電荷転送部２２、出力制御部３０を備える。
電源部２０７は、外部電源の入力を電圧に変換し、各処理部に供給する。
次に、撮像装置２００の動作を説明する。
まず、光学部２０１により、撮像対象の光像がグレーデッドプリズム２０２に入射される。次に、グレーデッドプリズム２０２により、撮像対象の光像が異なる波長の光に分光され、それぞれが光電変換部２０３に入射される。光電変換部２０３により結像された受光量変化は電気信号に光電変換され、信号処理回路部２０５へ送られる。信号処理回路部２０５では、光電変換された撮像信号に対して増幅などの信号処理を行い、イメージセンサ出力として外部の装置へ出力する。
まず、光学部２０１により、撮像対象の光像がグレーデッドプリズム２０２に入射される。次に、グレーデッドプリズム２０２により、撮像対象の光像が異なる波長の光に分光され、それぞれが光電変換部２０３に入射される。光電変換部２０３により結像された受光量変化は電気信号に光電変換され、信号処理回路部２０５へ送られる。信号処理回路部２０５では、光電変換された撮像信号に対して増幅などの信号処理を行い、イメージセンサ出力として外部の装置へ出力する。
また、ＣＣＤ駆動信号発生部２０６が出力する電荷転送クロックは、例えば３相クロックであり、これにより、光電変換部２０３のラインＣＣＤは、ポテンシャルレベルを順次可変させ、蓄積した電荷を出力側に転送する。
以上、本発明の実施例について説明してきたが、具体的な構成は上述のものに限られることはなく、この発明の要旨を逸脱しない範囲内において様々な設計変更等をすることが可能である。
例えば、本実施例では、グレーデッドプリズム２０２が撮像対象の光像を分光し、それぞれを異なるラインＣＣＤに入射させる場合を説明したが、これに限られず、例えば、グレーデッドプリズム２０２を備えず、光電変換部２０３が集光した単一バンドの光像を光電変換しても良い。
例えば、本実施例では、グレーデッドプリズム２０２が撮像対象の光像を分光し、それぞれを異なるラインＣＣＤに入射させる場合を説明したが、これに限られず、例えば、グレーデッドプリズム２０２を備えず、光電変換部２０３が集光した単一バンドの光像を光電変換しても良い。
また、本実施例では、撮像装置２００が人工衛星に搭載される例を説明したが、これに限られず、例えば、航空機などの他の飛翔体に搭載しても良いし、スキャナなどの計測装置に搭載しても良い。
１１…第１の受光部 １２…第１の電荷転送部 １３…第１の緩衝レジスタ ２１…第２の受光部 ２２…第２の電荷転送部 ２３…第２の緩衝レジスタ ３０…出力制御部 ４０…出力レジスタ
Claims (5)
- 所定の走査方向に移動することで撮像対象を光学走査し、当該撮像対象の撮像を行う撮像装置であって、
前記撮像装置の受光面上に配置され、前記撮像対象の１画素とするエリアの前記走査方向の長さより該走査方向の長さが短い光検出窓からの受光量に応じて電荷を蓄積する受光手段と、
前記受光手段が１画素とするエリアの光学走査を終了した時に当該受光手段が蓄積した電荷を出力する出力手段と、
を備え、
前記受光手段は、前記受光面上の前記走査方向に複数配列され、
前記複数の受光手段の各々は、前記走査方向の側に隣接する他の受光手段が電荷の蓄積を開始した位置と同じ位置に自受光手段が位置するのに要する時間が経過した時に電荷の蓄積を開始し、前記走査方向の側に隣接する他の受光手段と前記時間だけずれたタイミングで同一の画素エリア分の電荷を蓄積し、
前記出力手段は、前記受光面上の前記走査方向に複数配列された受光手段が、同一の画素エリアをそれぞれ走査して蓄積した電荷を加算して出力する、
ことを特徴とする撮像装置。 - 前記受光手段は、
前記走査方向に複数配列された前記光検出窓と、
前記光検出窓の各々に対応付けて配置され、当該対応する光検出窓からの受光量に応じて電荷を蓄積する複数の電荷蓄積素子と、
前記撮像対象の１画素とするエリアを撮像する間に、前記電荷蓄積素子が蓄積した電荷を前記走査方向の逆方向に配置された他の電荷蓄積素子に一定の間隔で複数回に分けて転送し、前記電荷蓄積素子によって逐次蓄積される電荷を加算する垂直転送素子と、
を備えることを特徴とする請求項１に記載の撮像装置。 - 飛翔体に搭載され、前記走査方向は、前記飛翔体の進行方向であることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の撮像装置。
- 所定の走査方向に移動することで撮像対象を光学走査し、当該撮像対象の撮像を行う撮像装置を用いた撮像方法であって、
前記撮像装置の受光面上に配置され、前記撮像対象の１画素として取得するエリアの前記走査方向の長さより前記走査方向の長さが短い光検出窓を有する受光手段は、前記受光面上の前記走査方向に複数配列され、当該光検出窓からの受光量に応じて電荷を蓄積し、
出力手段は、前記受光手段が１画素として取得する撮像対象のエリアの光学走査を終了した時に当該受光手段が蓄積した電荷を出力し、
前記複数の受光手段の各々は、前記走査方向の側に隣接する他の受光手段が電荷の蓄積を開始した位置と同じ位置に自受光手段が位置するのに要する時間が経過した時に電荷の蓄積を開始し、前記走査方向の側に隣接する他の受光手段と前記時間だけずれたタイミングで同一の画素エリア分の電荷を蓄積し、
前記出力手段は、前記受光面上の前記走査方向に複数配列された受光手段が、同一の画素エリアをそれぞれ走査して蓄積した電荷を加算して出力する、
ことを特徴とする撮像方法。 - 所定の走査方向に移動することで撮像対象を光学走査し、当該撮像対象の撮像を行う撮像回路であって、
前記撮像回路の受光面上に配置され、前記撮像対象の１画素として取得するエリアの前記走査方向の長さより前記走査方向の長さが短い光検出窓からの受光量に応じて電荷を蓄積する受光回路と、
前記受光回路が１画素として取得する撮像対象のエリアの光学走査を終了した時に当該受光回路が蓄積した電荷を出力する出力回路と、
を備え、
前記受光回路は、前記受光面上の前記走査方向に複数配列され、
前記複数の受光回路の各々は、前記走査方向の側に隣接する他の受光回路が電荷の蓄積を開始した位置と同じ位置に自受光回路が位置するのに要する時間が経過した時に電荷の蓄積を開始し、前記走査方向の側に隣接する他の受光回路と前記時間だけずれたタイミングで同一の画素エリア分の電荷を蓄積し、
前記出力回路は、前記受光面上の前記走査方向に複数配列された受光回路が、同一の画素エリアをそれぞれ走査して蓄積した電荷を加算して出力する、
ことを特徴とする撮像回路。
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