JPH02140076A - 撮像装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は複数の画素を有するイメージセンサ上に光学系
を経て複写体像を結像させるようにした撮像装置に関す
るものである。

〔従来の技術〕

かかる撮像装置は、例えば内視鏡やテレビカメラ等に適
用されているが、これら従来の撮像装置においては平板
状のイメージセンサを光学系の予定焦平面に配置してい
る。ここで、被写体像を結像させるための光学系は一触
に画角が広いと特に像面湾曲収差や歪曲収差が大きくな
る。このため、上記従来の撮像装置においては光学系の
レンズの構成枚数を増やしてこれらの収差を除去するよ
うにしている。

〔発明が解決しようとする課題］ しかし、このようにレンズの構成枚数を増やして収差を
補正するようにすると、光学系が大型かつ高価になると
共に、特に内視鏡のように光学系を配置するスペースが
限られているような場合には必ずしも十分に収差を補正
できない場合がある。

〔課題を解決するための手段及び作用〕本発明の目的は
上述した不具合を解決し、レンズの構成枚数を増やすこ
となく、光学系の収差を有効に補正できるよう適切に構
成した撮像装置を提供しようとするものである。

本発明は、複数の画素を有するイメージセンサ上に光学
系を経て被写体像を結像させるようにした撮像装置にお
いて、前期イメージセンサを前記光学系の収差を補正す
るように曲面形状に形成したことを特徴とするものであ
る。

本発明において、イメージセンサはホトダイオードアレ
イ、ＣＣＤイメージセンサ、ＭＯＳイメージセンサを用
いることができるが、好適には入力インピーダンスが高
く電圧駆動形の特長を保ちながら、出力電流が電圧の増
加と共に次第に増加し、二極管と同様に不飽和形の電流
電圧特性を有すると共に、大出力、低歪、低雑音特性を
有する静’ＩＦ導トランジスタ（ＳｔａｔｉｃＩｎｄｕ
ｃｔｉｏｎ　Ｔｒａｎｓｌ！！ｔｏｒ；以下頭文字をと
ってＳＩＴと称する）を含むＳＩＴイメージセンサを用
いる。

〔実施例］ 第１図ＡおよびＢはＳＩＴイメージセンサを構成する１
つのＳＩＴイメージセルの一例の構成を示す断面図およ
びその等価回路図を示すものである。このＳＩＴイメー
ジセルは読み出し用ＭＯＳ形５ＩＴＩとホトトランジス
タ２とから成り、増幅機能を有する表面照射形で、浮遊
領域により形成されたｎ″ＰＰ接合むものである。ＭＯ
３形５ＩＴＩおよびホトトランジスタ２は分離用絶縁領
域３で囲まれたＰ形半導体基体４に形成され、ホトトラ
ンジスタ２は表面透明電極５．ｎ″層６Ｐ−領域７．Ｐ
浮遊領域８およびｎ゛浮遊碩域９を有するフローティン
グエミッタ構造となっている。ｎ・浮遊領域９はホトト
ランジスタ２のエミッタであると同時に読み出し用ＭＯ
Ｓ形Ｓ　ＴＴＩのドレイン電極１１に接続されている。

このドレイン電極１１上には絶縁層１２を介して導電１
１１３が被着され、これらドレイン電極１１．絶縁層１
２および導電層１３により蓄積容量Ｃ８を構成している
。ＭＯ３形Ｓ■１゛１のゲートｊｉＪＴ域（Ｐチャンネ
ル）１４はｎ４浮遊領域９に接合して形成され、このゲ
ート酸化膜１４の上方にはゲート酸化膜１５を介してゲ
ート％ｔ　Ｆｉ　１６が設けられている。また、ｎ４の
ソース領域１７はＰチャンネルのゲート領域１４に接合
して形成され、このソース領域１７にソース電極１日が
接続されている。なお、ドレイン電極１１．導電層１３
．ゲート電極１６およびソース電極１８は絶縁層１９に
より互いに絶縁さていると共に、５ＩＴｌのドレインｆ
ｒｉｌｌ、導電層１３およびホトトランジスタ２は絶縁
Ｊ１２０により絶縁されている。

上述したＳＩＴイメージセルにおいて、ホトトランジス
タ２の表面透明ｔｉ５にはｐ−ｅＭ域７が空乏化するの
に十分な正のバイアス電圧■３（＋）が印可される。ま
た、ＭＯ３形５ＩＴＩのゲート電極１６にはホトトラン
ジスタ２を介して蓄積容量Ｃ８に記憶された電圧を読み
出すための信号を供給するワードライン２１が接続され
、ソースｔｆ’Ｍ１８には読み出された電圧を出力する
ビットライン２２が接続される。

以下、上述したＳＩＴイメージセルの動作を第２図を参
照して説明する。

ホトトランジスタ２の表面透明電極５に第２図Ａに示す
ようにｐ−ｊｌ域７が空乏化するに十分な正のバイアス
電極Ｖ　ｓ　（＋　）を印加した状態で、該表面透明電
極５に入射光ｈｖが入射すると、これにより励起された
電子−ホール対のうち電子は表面のｎ″層６直ちに吸収
され、ホールはＰ−領域７に加わっている強電界により
加速されてｐ浮遊領域８に流れ込み、このｐ浮遊領域８
を第２図ＢにＶ　ｐ（ｔ　）で示すように正に帯電する
。ｐ浮遊領域８が正に帯電すると、ｎ′層浮遊領域９と
の間が順方向にバイアスされることになる。すなわち、
ｎ゛浮遊領域９から電子がｐ浮遊領域８に注入され、注
入された電子はこのｐ浮遊領域８を通過し、高抵抗のｐ
−領域７をドリフト走行して表面のｎ゛層６吸収される
。このようにｎ０浮遊領域９から電子が流出すると、こ
の領域９も電子が不足して第２図ＣにＶ、（ｔ）で示す
ように正に帯電されることになる。

このｎ゛浮遊碩域９の電位Ｖ、（ｔ）は、ｐ浮遊領域８
が極めて薄い場合は、 となる。ただしＣ７はｐ浮遊領域８の容量、ｑは単位電
荷、Ｓは光子密度、Ｃは光速度を表わす。上式から明ら
かなように１、電位Ｖｆｉ（ｔ）は入射光量および露光
時間ｔに比例し、Ｃｔに反比例する。したがって、ｐ浮
遊領域８の容量Ｃ２は小さい程僅かなホールの流入で大
きな電圧変化を得ることができ、感度を向上させること
ができる。なお、ｎ°浮＊　’６Ｍ６ｍ域接続された蓄
積容量Ｃ１はフック構造の増幅作用により、Ｃ。

にあまり依存せずに浮遊ｎ″ｐｐ接合定の順方向バイア
スになるまでｎ＋浮遊謂域９から電子が流れ出すから、
この領域９の電圧値にあまり影響を与えない。

一ジセンサにおいてはＣｓ　／　Ｃを倍の感度を得るこ
とができる。なおＣｓ　／　ＣｔはＣｔを容易に小さく
できることから、ｌＯ〜１００程度とすることができる
。

ＳＩＴイメージセルにおいては、読み出しは破壊読み出
しにも非破壊読み出しにもできる。

非破壊読み出しを行なう場合には、第２図りにＶａ（ｔ
）で示すようなパルス電圧をワードライン２１を介して
ＭＯ３形５ＩＴＩのゲートに加えて導通させる。ＭＯ３
ＩＳＩＴＩが導通すると、ソース領域１７からｐチャン
ネルのゲート８ｍ域１４を介して電子がｎ１浮遊領域９
に流れ込んで第２図Ｃに示すようにｎ＋浮遊領域９の正
電圧Ｖ、。

（１）を低下させるが、このときには第２図Ｂに示すよ
うにｐ浮遊領域８の電位Ｖ、（ｔ）が増加して浮遊ｎ″
ｐｐ接合方向バイアスが深くなるから流れ込んだ電子は
直ちに高抵抗のｐ−領域７に注入される。したがって、
ビットライン２２の寄生容量Ｃ８に殆んどよらないで第
２図Ｅに示すような読み出し電圧■。、を得ることがで
きると共に、ｎ゛浮遊領域９の電位は１回読み出しが行
なわれて一旦低下しても、しばらく時間が経過するとそ
れ以前とほぼ同じように増加し続ける。

以上説明したところから明らかなように、ＳＩＴイメー
ジセンサは次のような特徴を有する。

（１）ＳＩＴが直線性の良い不飽和形の電流電圧特性を
有することから、蓄積容量Ｃ１にアナログ的に書き込ま
れた電圧に対し読み出し電圧を相当広い範囲に亘って直
線的に変化させることができ、したがって、ダイナミッ
クレンジを極めて広くすることができる。

（２）集積度が高いのでＳＩＴイメージセンサの個々の
セルの表面積を極めて小さくでき、高解像度を得ること
ができる。

（３）破壊読み出し、非破壊読み出しのいずれも可能で
ある。

（４）増幅率が大きいから、光検出感度が高く、入射光
量が少なくても大きな信号が得られるＣ（５）個々のセ
ルを独立に駆動できるのでランダムな読み出しが可能で
あると共に、個々のセルの感度を調整することもできる
。

（６）チャンネル中の電子の移動度が大きいことから、
書き込み／読み出しを高速度で行なうことができる。

（７）蓄積容量Ｃ１に接続されるリフレッシュ用のＳＩ
Ｔを同一基本に形成し、このリフレッシュ用ＳＩＴを選
択的に駆動することにより蓄積容量Ｃ６を容易にリフレ
ッシュすることができる。

以上のようにＳＩＴイメージセンサにおいては、従来の
ホトダイオードアレイ、ＣＯＤイメージセンサやＭ　Ｏ
Ｓイメージセンサにない優れた特長を有する。

以下図面を参照して本発明の詳細な説明する０第３図は
本発明の撮像装置の一例の構成を示すもので、内視鏡に
適用した実施例を示す。この内視鏡は照明光学系３１に
より照明された被観察部（図示せず）の像を透明ガラス
窓３２、絞り３３および凸レンズのみを複数枚組合せて
成る結像光学系３４を経て複数の画素を有するＳＩＴイ
メージセンサ３５上に結像させ、このＳＩＴイメージセ
ンサ３５からの画像情報を信号処理回路３６を経てモニ
タ３７に供給して映出し得るようにしたものである。

ここで、結像光学系３４を凸レンズのみを複数ｎ牧舎せ
て構成した場合には、１番目のレンズめ、画角を９０°
以上にすることは従来極めて困難であった。

一方、結像光学系を複数Ｎ枚のレンズを組合せて構成し
た場合の像面湾曲の半径Ｒは、１番目のレンズの焦点距
離および屈折率をそれぞれｆ、およびｎｊとすると、 工 で与えられる。

そこで本実施例では、ＳＩＴイメージセンサ３５を、結
像光学系３４のコマ収差等も考慮し、像面の湾曲に合せ
て、上記式で求まる半径Ｒとほぼ等しい半径の曲率をも
って凹面状に湾曲して形成する。このようにすれば、像
面湾曲収差およびコマ収差等を有効に除去でき、視野の
周辺まで鮮明な像を得ることができると共に、画角が９
０°を越える広視野撮像装置も容易に得ることができる
。

なお、第３図において結像光学系３４が広角レンズの場
合には一般に負の歪曲収差が発生し、周辺の像はど小さ
くなって分解能が低下する。

このような場合には、第４図ＡおよびＢにそれぞれ平面
図を示すように、曲面状のＳＩＴイメージセンサ３５の
画素３５ａの受光面積を周辺はど小さく密にし、画像再
生時に信号処理回路３６により各画素情報を適当に補正
して読出すようにすれば、周辺の像も中心の像と同じ分
解能で観察することができると共に、周辺の画素情報を
像幅して像を拡大してやれば同時に歪曲収差も補正する
ことができる。

以上結像光学系３４が凸レンズによってのみ構成される
場合について説明したが、第５図に示すように結像光学
系３４が凹レンズと凸レンズとの組合せによって構成さ
れている場合には、絞り３３を通る主光線は色によって
屈折率が異なるため、例えば赤の主光線Ｌｍと青の主光
線Ｌ１１とがガウス平面３８より前の点Ｐで交わり、い
わゆる倍率の色収差が生じる。このような場合には、Ｓ
ＩＴのイメージセンサを一点鎖線で示す各色の主光線が
交わる点を含む曲面３９に沿って湾曲して配置すれば、
倍率の色収差をも有効に除去することができる。

第６図は本発明の撮像装置の更に他の例の構成を示すも
のである。本例では被写体像（図示せず）を球心を通る
絞り４０を具える球形レンズ４１を介して、この球形レ
ンズ４１と同心の球面状ＳＩＴイメージセンサ４２上に
結像させるようにしたものである０球形レンズ４１は多
重の同心球レンズ、本例では２重の同心球レンズ４１ａ
および４１ｂをもって構成し、外側および内側の球レン
ズ４１ａおよび４１ｂの屈折率ｎ、およびｎ、とアツベ
数ν、およびνｂとを、 ｎ　＠　＞　ｎ　＞　ｒ　　ν、くν５とする。

本実施例によれば、結像光学系として球形レンズ４１を
用いることによりコマ収差を除去することができ、また
ＳＩＴイメージセンサ４２を球形レンズ４１と同心の球
面状に形成することにより像面湾曲収差を除去すること
ができ、更に球形レンズ４１を構成する球レンズ４１ａ
、４１ｂの屈折率ｎ□ｎｂおよびアツベ数ν１νｂ　＠
　ｎ　ａ　＞　ｎ　ｂおよびν、〈ν、とすることによ
りそれぞれ球面収差および色収差を除去することができ
る。

第６図においては球形レンズ４１を２ｔの同心球レンズ
４１ａおよび４１ｂをもって構成したが、第７図に示す
ように球形レンズ４１を、屈折率が球心に向かって連続
的に小さくなり、アツベ数が球心から周辺に向かって連
続的に小さくなる不均質媒質で形成して同様の効果を得
ることもできる。

第６図および第７図に示すように、球形レンズ４１と球
面状ＳＩＴイメージセンサ４２とにより撮像装置を構成
する場合には、構造が極めて簡単となるから、種々の撮
像機器に有効に応用することができる。また、第８図に
示すようにガラス、プラスチック等の透明体５１と球面
状ＳＩＴイメージセンサ４２とにより完全な球体５２を
形成し、この球体５２内の中心部に球形レンズ４１をそ
の絞り４０を透明体５１に固着することにより支持して
、球体５２を透明支持台５３に自動自在に保持すれば、
はぼ全周に亘る像の撮像が可能となる。

第９図は本発明の撮像装置の更に他の例の構成を示すも
ので、シュミットカメラに適用した実施例を示す、すな
わち、本例では主鏡６１および補正板６２を具えるシュ
ミットカメラ６３の結像面に沿って、フィルムや乾板の
代わりに主鏡６１の曲率半径ｒと等しい曲率半径ｒをも
って凸状に湾曲させたＳＩＴイメージセンサ６４を配置
する。このように、シュミットカメラに本発明を適用す
れば全ての収差を有効に除去できるのは勿論のこと、フ
ィルムや乾板を用いる場合とは異なり１コマ毎に交換す
る必要もない。また、ＳＩＴイメージセンサ６４を用い
れば、入射光が微弱であっても光検出感度が高いから、
特に天体観測用として有効に用いることができる。

第１０図は本発明の撮像装置の更に他の例の構成を示す
もので、直視型内視鏡に適用した実施例を示す。この内
視鏡は、被観察物体７１の像を透明ガラス窓７２．絞り
７３および結像光学系７４を介してＳＩＴイメージセン
サ７５上に結像させるようにしたものである０通常内視
鏡はパイプや人体の腸などの筒状物体の内壁を観察する
のに用いられるが、このように被観察物体７１が筒状物
体の内壁である場合には被観察物体７１の距離に大きな
差があり、視野周辺の点Ｑの像は視野中央付近の点Ｓに
比べて物体距離が近いため、光軸に沿って測った場合レ
ンズ最終面７４ａから離れた点Ｑ′に結像するのに対し
、点Ｓの像は最終面７４ａに近い点Ｓ′に結像する。そ
こで本実施例では、ＳＩＴイメージセンサ７５を結像光
学系７４による被観察物体７１の結像位置に合せて凸曲
面状に形成する。このようにすれば、全画面に亘ってピ
ントを合せることができるから、常に画質の良好な像を
得ることができる。

第１１図は側視型内視鏡に適用した実施例の要部の構成
を示すものである。側視型の場合には、物体距離の差に
よる結像光学系８１の像面はほぼ円柱面となるから、本
実施例においてはこれに合せてＳＩＴイメージセンサ８
２を円柱面状に形成する。このようにすれば、第１０図
の場合と同様画面全体に亘ってピントを合せることがで
きる。なおこの場合、ＳＩＴイメージセンサ８２は円柱
面状に形成する他、第１２図に示すように鞍型曲面状に
形成しても同様の効果を得ることができる。また、特に
側視型の内視鏡に適用する場合には、内視鏡断面は一般
に円形であるから曲面状ＳＩＴイメージセンサ８２を内
視鏡外筒内壁に沿って容易に接着することができる。し
たがって、結像光学系８１の収差の補正のみでなく内視
鏡の小形化にも極めて有効である。

以上、像面湾曲収差の補正や結像位置の補正について、
曲面状のＳＩＴイメージセンサを用いる実施例を説明し
たが、要するに本発明においては結像光学系の収差、物
体距離の違いを考慮して最良の結像位置に合せて、イメ
ージセンサを湾曲させればよい。したがってイメージセ
ンサは上述したＳＩＴイメージセンサのみでな（、フォ
トダイオード、ＣＣＤイメージセンサ、ＭＯＳイメージ
センサも有効に用いることができる。

〔発明の効果〕

上述したように本発明によれば、光学系の最良結像位置
に合せてイメージセンサを湾曲させているから、光学系
により生じる各種収差を除去るすことができるという優
れた効果がある。

また光学系のレンズ構成枚数を増加させなくても各種収
差を除去できるので寸法上の制約を受けることが少ない
うえ、イメージセンサの曲面形状が、それを収納する本
体の形状と適合しやすいのでさらに小型化に有効となる
という優れた効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図ＡおよびＢはＳＩＴイメージセルの一例の構成を
示す断面図およびその等価回路図、第２図Ａ−Ｅは同じ
くその動作を説明するための信号波形図、第３図は本発
明撮像装置の一例の構成を示す線図、第４図ンおよび時
ｅは第３図に示すＳＩＴイメージセンサの他の２つの例
を他の例の構成をそれぞれ示す線図、第１２図は第１１
図に示すＳＩＴイメージセンサの他の例を示す斜視図で
ある。 ３４　　−−−ｍ−結像光学系 ３５　　　・−ＳＩＴイメージセンサ ３５ａ　　　　画素 ４０　　　　　絞り ４１　　　　　球形レンズ ４２・・−・−・−・ＳＩＴイメージセンサ５ｍ−−・
・−・・−一−−−−・透明体５２　　　　　球体 ５３　　　　　透明支持台 ６１　　　　　主鏡 ６２　　　　　補正板 ６３−・　　　シュミットカメラ ６４−−−−−−−−・・−・ＳＩＴイメージセンサ７
１　　　・・−被観察物体 ７４・・−・　　　結像光学系 ７５−・・・−・・・−・・ＳＩＴイメージセンサ８１
・−・−・・−・−結像光学系 ８２・・・−・−・−・−・ＳＩＴイメージセンサ５ｌ （Ａ） 第２因 第　１　図 （ｂ） 第４　凶 第 凶 π 図 第 図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、イメージセンサを用いた撮像装置において、被写体
   を照明する光学系と、前記被写体からの光像を結像する
   光学系と、複数の画素を曲面形状に形成したイメージセ
   ンサとを具え前記光学系の収差を補正するようにしたこ
   とを特徴とする撮像装置。 ２、前記イメージセンサの曲面形状を、前記光学系の像
   面湾曲収差を補正し得るようなものとしたことを特徴と
   する特許請求の範囲第１項記載の撮像装置。 ３、前記イメージセンサの各画素の受光面積を前記光学
   系の歪曲収差に応じて変化させたことを特徴とする特許
   請求の範囲第１項記載の撮像装置。 ４、前記イメージセンサは静電誘導トランジスタを受光
   素子として形成したことを特徴とする特許請求の範囲第
   １項記載の撮像装置。