JPH03126386A - 固体イメージセンサ - 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、固体イメージセンサに関し、特に、受光エレ
メントの形状を規定するアパーチャの形状とその配列形
成に関する。

〈従来の技術〉 最近、例えば人工衛星から地上の輝度情報を撮影する場
合、第１図に示すように人工衛星１の飛行方向ｙと直交
する所定幅の細長い領域２の輝度情報をレンズ３により
人工衛星に搭載された固体イメージセンサ４に合焦させ
て電気信号に変換し、このイメージセンサ４の各エレメ
ントの受光信号をＸ方向に走査してデータ処理装置へ入
力する方式が用いられるようになった。

この走査方式は、人工衛星１の飛行運動がＸ方向の走査
を受持ち、それと直交するＸ方向の走査をイメージセン
サ４が受持ち、Ｘ方向の走査速度に対しＸ方向の走査速
度が非常に速いことが、あたかも幕末で地面を掃く動作
に似ているので、ブツシュブルーム（Ｐｕｓｈ−ｂｒｏ
ｏｍ）走査と呼ばれている。

リニア・イメージセンサは地上におけるパターン認識、
計測、制御等の分野に普及しつつあるが、従来は、その
分解能を向上させるため、受光エレメントをいかに微細
化するかということに当業者力（注目していた。

従来公知のリニア形固定イメージセンサの受光エレメン
ト、すなわちアパーチャの形状は、すべて第１８図（８
１図に示すような矩形であり、二次元図形を受像する固
定イメージセンサの受光エレメントの形状もすべて同図
（ｂ１図に示すように矩形であり、その対称軸は行方向
、列方向ともに格子状であった。

このような固体イメージセンサは、 ＣＯＤ　（ｃｈａｒｇｅ　ｃｏｕｐｌｅｄ　ｄｅｖｉｃ
ｅ）、ＣＰ　Ｄ　（ｃｈａｒｇｅ　ｐｒｉｍｉＢ　ｄｅ
ｖｉｃｅ）、Ｍ　ＯＳ　−Ｄ　（ｍｅｔａｌ−ｏｘｔｄ
ｅ−ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ　ｄｅｖｉｃｅ）等、
公知の半導体により充電変換装置により実現される。

〈発明が解決しようとする課題〉 いま例えば、高度９００ｋｍを飛行する地球観測人工衛
星を考える。第１図において、固体イメージセンサ４の
１個のアパーチャの幅を１５μｍ、人工衛星に搭載され
たカメラのレンズ３の焦点距離をｆ＝２１０鰭とすれば
地球上の５０ｍが上記したアパーチャの幅１５μｍに対
応する。

地球表面の輝度情報は雑多であるが、説明を簡単にする
ためにこれをモデル化して考察する。地上に、第２図（
Ａ）図に示すような２５ｍが黒２５ｍが白のパターン情
報があるとする。これに対応する人工衛星上のイメージ
センサ４の各エレメントは、ａ位置、ｂ位置のいずれの
ときも各エレメントの平均出力は同じレベルの灰色にな
って、パターンを認識することはできない。この場合、
パターンの繰返し周期は５０ｍであるから、カットオフ
周波数は１ｍ当り０．０２Ｈｚとなる。

次に、第２図（Ｂ）図に示すような５０ｍが黒、５０ｍ
が白のパターン情報があるとすると、イメージセンサ４
がａ位置にあるときはパターンを明瞭に認識することが
できるが、ｂ位置にあるときは（Ａ）図の場合と同様に
平均化されて灰色になりパターンを認識することができ
ない。この周波数、すなわち１ｍ当り０　、０１　ｆｉ
ｚはカットオフ周波数の％に当り、ナイキスト周波数と
呼ばれる。

このように、ピッチ１５μｍのイメージセンサの周波数
特性を地球上の周波数特性に対応させると、第３図の通
りとなる。この縦軸はＭ　Ｔ　Ｆ　（Ｍｏｄｕｔａｔｉ
ｏｎｔｒａｎｓｔｅｒ　ｆｕｎｃｔｉｏｎ、周波数変調
伝達関数）である。

さて、第２図（Ａ）図に示したような０．０１ｂ／ｍの
パターンが地球表面にあったとして、そのパワー（輝度
レベルの二乗）を１とすると、擬解像を考慮しないとき
の出力は、第４図に示すように、０．０１Ｈｚ／ｍにお
けるＭＴＦを０．７とすれば、イメージセンサ出力も０
．７となる。

次に、サンプリングによる凝解像出力のみを取り出す場
合を考察する。０〜０．０ＩＨｚ／ｍの中に落ちるもの
のみを考え、０．０１）！ｚ／ｍにおけるＭＴＦ値を０
．７とすれば、第５図に示す通り、０．０Ｉ１１ｚ　／
　ｍの周波数における擬解像出力も０．７になる。従っ
て、Ｏ，０ＩＨｚ／ｍの周波数の出力は、真の出力０．
７と擬解像出力０．７を加算したものとなり、真の出力
の２倍の出力が得られることになる。このように、擬解
像出力がノイズとなり、観測者は地上の発する輝度が２
倍のパワーをもっているものと誤認することとなる。

そこで、本発明は、受光エレメントの配列ピッチ（現在
７μｍ程度が限度）をいま以上に小さくすることなく空
間分解能およびサンプリング周波数を如何にして上げる
かということを解決課題とする。また、擬解像出力を小
さくするため、カットオフ周波数以上の周波数帯域に現
れる不必要な出力を如何にして小さく抑えるかというこ
とを解決課題とする。

く課題を解決するための手段〉 上記課題を解決するための本発明の固体イメージセンサ
は、直交する対称軸をもち非矩形のアパーチャの複数個
が一行に配列されていることを第一の特徴としている。

ここに、直交する対称軸をもつ非矩形とは、菱形、六角
形、六角形、上下対称の正弦波に囲まれた花弁形、およ
びこれらに類似した形状をいう。

また、本発明の固体イメージセンサは、直交する対称軸
をもつアパーチャの複数個が、少なくとも２行に配列さ
れ、ひとつの行の列方向対称軸がそれと隣接する行の列
方向対称軸の中間にあるスタガー配列であることを、第
二の特徴としている。

この第二の発明において、ひとつの行に属するアパーチ
ャの間に、それと隣接する行に属するアパーチャの一部
分が割り込んでいるものが好ましく、隣接する行に属す
るアパーチャの間が一本の境界線で区分されてその間に
無駄な領域のないものが特に好ましい。

本発明の非矩形のアパーチャのうち、対称な正弦波形に
より区分された、いわゆる花弁形のアパーチャが最も好
ましい。

〈発明の原理および作用〉 ブツシュブルーム走査を行うイメージング・スペクトロ
メータの、飛行方向に直角な方向の走査の働きは下式の
様にモデル化することが出来る（飛行方向の走査もプラ
ットフォームの運動による画像の劣化を除けば同様に考
えることができる）。

ここにｒ（ｘ）は地上の輝度分布、ｈ（ｘ）は受光エレ
メントの線像分布関数（Ｌ　Ｓ　Ｆ）、ｓ　（ｘ）は受
光エレメントの配列を示すサンプリング関数、ｄは受光
エレメント間隔、ｑ　（ｘ）は画像出力である。

Ｒ（ｕ）、Ｈ（ｕ　）、５（ｕ）、Ｑ（ｕ）は夫々、上
記空間関数のフーリエ変換でＵはＸ方向の空間周波数ｕ
ｓ−１／ｄは受光エレメントの配列間隔に依って決まる
サンプリング周波数である。

これらの量の間には次の関係がある。

ｑ（ｘ）＝　（ｒ（ｘ）＊ｈ（ｘ））　・５（ｘ）　　
・・・（１）ここにｓ　（ｘ）＝Σδ（ｘ　−ｎｄ）＊
はコンボリューションを示す。

ｑ（ｘ）はパルス列出力であり、実際のアナログ出力は
、幅ｄ、高さ１のＢＯＸ関数とこのｑ（ｘ）とのコンボ
リューションをとったものになる。

また、周波数領域では、 Ｑ（ｕ）＝　（Ｒ（ｕ）−ＩＨ（ｕ）Ｉ　））ＩＩｓ（
ｕ）−ｄ−ｓｉｎｙｃｕｄ／πｕｄ　　・＝　（２）＝
　（（Ｒ（ｕＬ　ＩＨ（ｕ）ｌ　） ＊　（（１／ｄ）Σδ（ｕ−ｎ／ｄ）　）　）　・ｄ−
ｓｉｎπｕｄ／πｕｄ＝Ｒ（ｕ）、ＩＨ（ｕ）Ｉ　・ｓ
ｉｎπｕｄ／πｕｄｈ参〇 ・・・　（３） ここに５（ｕ）＝ｕ、Σδ（ｖ　−ｎ　ｕ　ｓ）翫−曽 （３）式の第１項は擬解像を含まない出力、第２項は擬
解像出力である。

受光エレメントのＬＳＦはそのアパーチャの形によって
決る。例えば第６図（ａ）、山）、（Ｃ）に示すような
、矩形、菱形、および花弁形の３種類のＬＳＦを求める
と、 （ａ）矩形のＬＳＦ＝２ｂ、　　（−ａ≦Ｘ≦ａ）＝Ｏ
，（ｘ＞ａ、ｘ＜−ａ） （ｂ）菱形のＬＳＦ＝２　ｂ（１＋ｘ／ａ）、　　（−
ａ≦Ｘ≦０）＝２ｂ（１−ｘ／ａ）、　　（０≦Ｘ≦ａ
）（ｃ）花弁形のＬ　Ｓ　Ｆ　＝　ｂ　（１＋ｃｏｓ　
ｙｃｘ／ａ）。

（−ａ≦Ｘ≦ａ） これを第７図に示す。さらに、第６図（ａ）、（ｂ）、
（Ｃ）図に示した各アパーチャ形状の受光エレメントの
ＭＴＦを求めると これを第８図に示す。

次に、第９図（８１図に示す菱形アパーチャを一次元配
列したアレイのＭＴＦを求めると、 ω＝゛０でＭＴＦ＝２ａｂであるから、この値で正規化
すると ａ　”６．５＃　ｍのときのＭＴＦを第１０図に曲線（
ａ）で示す。

また、第９図（ｂ１図に示す花弁形アパーチャを一次元
配列したアレイのＭＴＦを求めると、ω＝０でＭＴＦ＝
２ａｂであるから、この値で正規化すると ａ＝６．５ｔＪｍのときのＭＴＦを第１０図に曲線（ｂ
）で示す。

〈実施例〉 第９図に一次元イメージセンサのアパーチャの実施例を
示す。（８１図は菱形、ｆｂ）図は対称な正弦波に囲ま
れた花弁形である。これらの特性については、すでに前
項で説明した。

第１１図に、−次元イメージセンサの一実施例として、
矩形のアパーチャをもつ２行構成のものを示す。受光エ
レメントの大きさは２ａＸ２ｂであって、各エレメント
に電極（ドツトで示す）が設けられている。

第１２図に、−次元イメージセンサの他の実施例として
、菱形のアパーチャをもつ２行構成を示す。

第１３図に、−次元イメージセンサのさらに他の実施例
として、花弁形のアパーチャをもつ２行構成を示す。

第１４図に六角形（亀甲形）、第１５図に他の六角形の
実施例を示す。

これらの実施例はいずれも、各アパーチャが互いに直交
する対称軸をもち、行方向対称軸のピッチはｂで平行し
ており、軸方向の対称軸のピンチは２ａで一方の行の軸
方向対称軸の中間に他方の行の軸方向対称軸がある、い
わゆるスタガー配列または千鳥配列になっており、しか
も、隣接するアパーチャ間に無駄な部分がなく、直線ま
たは曲線によりアレイまたはウェハの表面を区分して構
成することができる。また、第１２図乃至第１５図に示
すものはいずれも、上の行に係るアパーチャの下半分の
間に、下の行に係るアパーチャの上半分が割り込んでい
る。

第１６図に本発明のさらに他の実施例を示す。これは、
各アパーチャが六角形で構成されているため、各アパー
チャ間にごく僅かな無駄な部分が介在する。

これら、第１１図乃至第１６図に例示したアパーチャ形
状は２行構成のアレイに限ることなく、２次元イメージ
センサとして実施することもできる。

また、第１４図乃至第１６図に示したアパーチャ形状は
、第１２図に示した菱形、第１３図に示した花弁形に類
似するものであるが、本発明は、さらに、第１２図乃至
第１６図に例示したアパーチャ形状の変形により実施す
ることができる。

第１７図に、本発明によるアパーチャのスタガー配列に
よる分解能の向上と、擬解像の減少を、コンピュータを
用いた撮像シミュレーションにより示す。

同図［ａ）図は入力シーンを示し、これは１６１１ｚの
白黒の縞模様である。同図ｆｂ）、ｔｃ＞、（ｄ）、（
ｅ）図はそれぞれ出力画像を示しており、ｆｂ）図は第
１８図ｆａ）図に示した従来例のもの、（Ｃ１図は第１
１図に示した矩形のスタガー配列のもの、（ｄ１図は第
１２図に示した菱形のスタガー配列のもの、（ｅ）図は
第１３図に示した花弁形のスタガー配列のものを示して
いる。ｆｂ１図に示すシミュレーションデータは、エレ
メントの幅２ａ（第１８図）が１５ピクセル、配列ピッ
チも１５ピクセルのものについて行い、この場合カット
オフ周波ｐ　ｕ　ｃは１７　Ｈｚ、入力シーンの１６Ｈ
ｚの白黒の縞をこのイメージセンサで見た場合、入力シ
ーンの周波数がカットオフ周波数に近似しているため、
出力は殆んど縞としてとらえておらず、１１１ｚ近い擬
解像出力の出ているのが認められる。（Ｃ１図に示すシ
ミュレーションデータは、コントラストが弱いものの、
出力として１６Ｈｚの白黒入力シーンが表れており、し
かも擬解像出力は認められない。また、ｆｄ１図に示す
シミュレーションデータは、センサの幅２ａが矩形の場
合と同じ１５ピクセルであっても、カットオフ周波数ｕ
Ｃが約３４１１ｚと矩形の場合の約２倍近くになってい
ることが認められる。さらに（Ｃ１図に示すシミュレー
ションデータは、カットオフ周波数が３４Ｈｚに近く、
ＭＴＦが菱形の場合よりも更に高いため、出力画像も菱
形のものよりも更にコントラストの良いものが得られる
ことが認められる。

〈発明の効果〉 本発明によれば、受光エレメントの配列密度、エレメン
ト配列数を増大することなく、アパーチャの形状、配列
構造を変えるだけで、出力を高解像化し、擬解像による
ノイズを減少させ、その結果、鮮明な画像を得ることが
できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明の利用分野の一例の説明図、第２図、
第３図、第４図、および第５図は本発明の解決課題の説
明図、 第６図は、本発明の詳細な説明するためのアパーチャの
形状例を示す図、 第７図は第６図に示した各アパーチャのＬＳＦ（線像分
布関数）を示す図、 第８図は第６図に示した各アパーチャのＭＴＦ（周波数
変調伝達関数）を示す図、 第９図は、本発明の一次元イメージセンサの実施例を示
す正面図、 第１０図は、第９図に示した実施例のＭＴＦを示す図、 第１１図、第１２図、第１３図、第１４図、第１５図お
よび第１６図は、本発明の一次元または二次元イメージ
センサの各種実施例を示す正面図、第１７図は本発明の
いくつかの実施例と従来例について出力画像のシミュレ
ーションデータを示す。 第１８図は従来のイメージセンサのアパーチャの形状と
配列例を示す。 〜Ｕ−か ｄ　　′−０ ｉ　　ｂ １０Ｏ ００ ００ １、廟党 第１４因 第１６図 手３売ネ市正１与 （自発） 平成 １年１１月１７日

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. （１）直交する対称軸をもち非矩形のアパーチャの複数
   個が１行に配列された固体イメージセンサ。
2. （２）直交する対称軸をもつアパーチャの複数個が、少
   なくとも２行に配列され、ひとつの行の列方向対称軸が
   それと隣接する行の列方向対称軸の中間にあるスタガー
   配列である固体イメージセンサ。
3. （３）第２項記載の固体イメージセンサにおいて、ひと
   つの行に属するアパーチャの間に、それと隣接する行に
   属するアパーチャの一部分が割り込んでいる固体イメー
   ジセンサ。（４）ひとつの行に属するアパーチャとそれ
   に隣接する行に属するアパーチャの境界線が正弦波形で
   ある第３項記載の固体イメージセンサ。