(57)【要約】【課題】歪曲収差を低コストで解消し、高画質での撮像を可能とする。【解決手段】レンズ又は反射鏡を含む光学系５と、光学系５からの光線が結像する受光面を有しこの受光面に光学系５からの光線で電荷を生ずる受光画素を複数有する撮像素子６と、撮像素子６に電力を供給するバイアス電圧発生部８と、撮像素子６から出力される信号を処理し、画像データとして出力する信号処理部９と、撮像素子６の受光画素に生じた電荷の転送を制御する駆動クロックを撮像素子６に入力する制御部１０と、を備える撮像装置であって、撮像素子６は、光学系５が有する歪曲収差を解消するように湾曲していることを特徴とする撮像装置。【選択図】図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
レンズ又は反射鏡を含む光学系と、前記光学系からの光線が結像する受光面を有し該受光面に前記光線によって電荷を生ずる受光画素を複数有する撮像素子と、前記撮像素子に電力を供給するバイアス電圧発生部と、前記撮像素子から出力される信号を処理し、画像データとして出力する信号処理部と、前記撮像素子の前記受光画素に生じた電荷の転送を制御する駆動クロックを前記撮像素子に入力する制御部と、を備える撮像装置であって、
前記撮像素子は、前記光学系が有する歪曲収差を解消するように湾曲していることを特徴とする撮像装置。
【請求項２】
前記撮像素子の前記湾曲の形状は、設計時の光学モデルを使用したシミュレーションにより、歪曲収差を算出し、該算出された歪曲収差を解消するように決定されることを特徴とする請求項１に記載の撮像装置。
【請求項３】
前記撮像素子は、ＴＤＩ（Time Delay Integration：遅延積算）型ＣＣＤ（Charge Coupled Device：電荷結合素子）であることを特徴とする請求項１又は２に記載の撮像装置。
【請求項４】
前記撮像素子の前記湾曲の形状は、円弧、楕円弧、放物線及び双曲線からなる一群から選択される二次曲線であることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の撮像装置。
【請求項５】
前記撮像素子は、三次元的な形状の椀状であることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の撮像装置。
【請求項６】
レンズ又は反射鏡を含む光学系と、前記光学系からの光線が結像する受光面を有し、該受光面に前記光線によって電荷を生ずる受光画素を複数有する撮像素子と、前記撮像素子に電力を供給するバイアス電圧発生部と、前記撮像素子から出力される信号を処理し、画像データとして出力する信号処理部と、前記撮像素子の前記受光画素に生じた電荷の転送を制御する駆動クロックを前記撮像素子に入力する制御部と、を備える撮像装置における撮像素子の配置方法であって、
設計時の光学モデルを使用したシミュレーションにより、歪曲収差を算出する手順と、
該算出された歪曲収差を解消する形状を決定する手順と、
該決定した形状で前記撮像素子を製作し、前記光学系からの光線が結像する位置に前記撮像素子を配する手順と、
を備えることを特徴とする撮像素子の配置方法。
【請求項７】
前記撮像素子は、ＴＤＩ（Time Delay Integration：遅延積算）型ＣＣＤ（Charge Coupled Device：電荷結合素子）であることを特徴とする請求項６に記載の撮像素子の配置方法。
【請求項８】
前記形状を決定する手順は、前記歪曲収差を解消する形状を、円弧、楕円弧、放物線及び双曲線からなる一群から選択される二次曲線とすることを特徴とする請求項６又は７に記載の撮像素子の配置方法。
【請求項９】
前記形状を決定する手順は、前記歪曲収差を解消する形状を、三次元的な形状の椀状とすることを特徴とする請求項６又は７に記載の撮像素子の配置方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光学系の歪曲収差を補正する撮像装置及び撮像素子の配置方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
微小光量での移動物体の撮像及び移動撮像装置による撮像には、信号成分の積分により十分に大きな信号レベルが確保できるＴＤＩ（Time Delay Integration：遅延積算）機能が付加されたＴＤＩ（Time Delay Integration：遅延積算）型ＣＣＤ（Charge Coupled Device：電荷結合素子）が撮像素子として使用される。
【０００３】
ＴＤＩ型ＣＣＤの動作は、図１のＴＤＩ型ＣＣＤ１の動作原理を示した図によると、画素の段数は４段とし、被撮像物２は静止状態で、撮像装置が上方に移動するものとする。その結果、縦方向の段数に比例して、各画素で得られた電荷が加算された電荷量となり、信号レベルが増加することにより感度が向上するものである。
【０００４】
例えば、図２のＴＤＩ型ＣＣＤの動作の流れの一例を示す図に示すように、ＴＤＩ型ＣＣＤ１の各画素で得られた電荷が撮像装置の移動につれて加算され、信号レベルが増加した状態で水平シフトレジスタ３に送られ、図３に示すような撮像画像を得ることができる。
【０００５】
ただし、一般的にＣＣＤを用いて撮像するためには、レンズ又は反射鏡を１枚又は複数枚用いた光学系により、被撮像物の光線を適切にＣＣＤ上に結像させる必要がある。
【０００６】
しかし、光学系には歪曲収差があるため、撮像画像周辺にいくと像が伸びたり縮んだりしてしまい、例えば図５下段に示すように、像面側における直線は、被撮像面側では曲線となってしまう問題がある。
【０００７】
そのため、歪曲収差を考慮せずに撮像素子を配置した場合には、特に画像周辺部において図６及び図７に示すようにＴＤＩを行う段数方向の画素が前段の画素とずれた撮像範囲を撮像してしまい、画像が不鮮明になり、ＭＴＦ（Modulated Transfer Function）の低下を引き起こす。
【０００８】
しかしながら、光学センサに要求される観測幅、分解能等の性能を向上させることを優先して光学系の設計をすると、光学系が大型化するという問題点がある。光学系の大型化に伴って、焦点面における画像の歪曲の影響が増大する傾向があり、この歪曲収差を解消することにより、ＭＴＦの劣化を防止する処置の必要性が高まってきている。
【０００９】
一般的には、レンズ又は反射鏡の追加により歪曲収差を補正する手法や、システムの後段において、画像処理により便宜的に補正を行ってきていた。しかし、前者においては重量の増加、光線透過率の低下、価格コストの増加といった問題がある。又、後者においても、システム構築のためのコストの増加がある。そのため、システム性能とコストへの影響を抑えつつ、歪曲収差の補正を実現する手法が望まれていた。
【００１０】
そこで、歪曲収差による歪みを補正するために撮像素子の画素間隔と画素面積を、中心から周辺に行くに従って大きくする発明が記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１１】
【特許文献１】特開平０１−０９４７７６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
しかしながら、特許文献１に開示されている発明は、画素面積の増大を招き、製造コストが嵩むという問題点がある。
【００１３】
又、電荷の拡散率が不均等になりやすく、開口効果が偏ることで画質が低下し、ＭＴＦの数値も低下しやすいという問題点がある。
【００１４】
更には、特許文献１に記載の発明は、ビデオカメラ等の撮像装置を想定したものであり、ＴＤＩ型ＣＣＤでの使用を前提としていないという問題点がある。
【００１５】
本発明は上記に鑑みてなされたもので、ＴＤＩ型ＣＣＤでの使用を前提として歪曲収差を低コストで解消し、高画質での撮像を可能とする撮像装置及び撮像素子の配置方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
上述の問題を解決するため、本発明に係る撮像装置は、レンズ又は反射鏡を含む光学系と、前記光学系からの光線が結像する受光面を有し該受光面に前記光線によって電荷を生ずる受光画素を複数有する撮像素子と、前記撮像素子に電力を供給するバイアス電圧発生部と、前記撮像素子から出力される信号を処理し、画像データとして出力する信号処理部と、前記撮像素子の前記受光画素に生じた電荷の転送を制御する駆動クロックを前記撮像素子に入力する制御部と、を備える撮像装置であって、前記撮像素子は、前記光学系が有する歪曲収差を解消するように湾曲していることを特徴とする。
【００１７】
上述の問題を解決するため、本発明に係る撮像素子の配置方法は、レンズ又は反射鏡を含む光学系と、前記光学系からの光線が結像する受光面を有し、該受光面に前記光線によって電荷を生ずる受光画素を複数有する撮像素子と、前記撮像素子に電力を供給するバイアス電圧発生部と、前記撮像素子から出力される信号を処理し、画像データとして出力する信号処理部と、前記撮像素子の前記受光画素に生じた電荷の転送を制御する駆動クロックを前記撮像素子に入力する制御部と、を備える撮像装置における撮像素子の配置方法であって、設計時の光学モデルを使用したシミュレーションにより、歪曲収差を算出する手順と、該算出された歪曲収差を解消する形状を決定する手順と、該決定した形状で前記撮像素子を製作し、前記光学系からの光線が結像する位置に前記撮像素子を配する手順と、を備えることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１８】
本発明によれば、撮像素子を歪曲収差を解消し得る形状に湾曲させることにより、ＴＤＩ型ＣＣＤでの使用を前提として歪曲収差を低コストで解消し、高画質での撮像を可能とする撮像装置及び撮像素子の配置方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】ＴＤＩ型ＣＣＤの動作原理を示した図である。
【図２】ＴＤＩ型ＣＣＤの動作の流れの一例を示す図である。
【図３】ＴＤＩ型ＣＣＤを用いた撮像装置により撮像された被撮像物の画像の拡大図である。
【図４】本発明の実施の形態に係る移動撮像装置の構成図である。
【図５】撮像画像が理想的に結像している場合と、光学系が歪曲収差を有する場合とを対比した図である。
【図６】光学系が歪曲収差を有する移動撮像装置でのＴＤＩ型ＣＣＤの動作の流れの一例を示す図である。
【図７】光学系に歪曲収差がある場合の被撮像物の画像の一例を示す拡大図である。
【図８】ＴＤＩ型ＣＣＤでの一般的な受光画素の配置と本実施の形態に係る移動撮像装置が備える受光画素の配置とを比較した図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
［実施の形態］
以下、図面を参照しながら本発明の実施の形態について詳細に説明する。ここで、図４は、本発明の実施の形態に係る移動撮像装置の構成図である。
【００２１】
図４によると、本実施の形態に係る移動撮像装置は、レンズ又は反射鏡を１枚又は複数枚用いた被撮像物を結像させるための光学系５を有する。
【００２２】
本実施の形態に係る移動撮像装置は、光学系５からの光線が結像する受光面を有し、この受光面に光学系５からの光線で電荷を生ずる受光画素を複数有する撮像素子であるＴＤＩ型ＣＣＤ６を持つ。
【００２３】
次いで、ＴＤＩ型ＣＣＤ６に電力を供給するバイアス電圧発生部８と、ＴＤＩ型ＣＣＤ６から出力される信号であるＣＣＤ出力信号を処理し、画像データとして出力する信号処理部９と、ＴＤＩ型ＣＣＤ６の受光画素に生じた電荷の転送を制御する駆動クロックをＴＤＩ型ＣＣＤ６に入力する制御部１０とを有する。
【００２４】
更に、外部から入力された電力を所定の電圧及び電流に変換してバイアス電圧発生部８、信号処理部９及び制御部１０に供給する電源部を有する。
【００２５】
図８は、ＴＤＩ型ＣＣＤでの一般的な受光画素の配置と本実施の形態に係る移動撮像装置が備える受光画素の配置とを比較した図である。図８のうち、上段はＴＤＩ型ＣＣＤの一般的な受光画素の配置であり、各受光画素は水平に並べられている。
【００２６】
一方で、図８の下段は、本実施の形態に係る移動撮像装置での撮像装置であるＴＤＩ型ＣＣＤの受光画素の配置である。水平に配置される一般的な場合と異なり、光学系５が有する歪曲収差を解消するように弓なりな湾曲の曲線をもって配置される。この弓なりの形状は円弧等の二次曲線であり、かかる二次曲線の種類、更には弓形の形状が光学系に対して凸であるか凹であるかは、実際に解消すべき歪曲収差に応じて調製される。
【００２７】
この場合、設計時の光学モデルを使用したシミュレーションにより、歪曲収差を算出し、算出された歪曲収差を解消する形状を決定する手順と、この手順で決定した形状で撮像素子を製作し、光学系５からの光線が結像する位置に撮像素子を配する手順を経て、撮像素子であるＴＤＩ型ＣＣＤ６を、本実施の形態に係る移動撮像装置に設置する。
【００２８】
ここで、撮像素子の湾曲の形状は、円弧、楕円弧、放物線及び双曲線からなる一群から選択される二次曲線であってもよい。
【００２９】
［実施の形態の動作］
次に、本実施の形態に係る移動撮像装置の動作について、図面を参照しながら詳細に説明する。
【００３０】
ここで図５は、撮像画像が理想的に結像している場合と、光学系が歪曲収差を有する場合とを対比した図である。上段の撮像画像が理想的に結像している場合は、直線状の被撮像物は直線として結像される。
【００３１】
図５下段は光学系に歪曲収差を有する場合である。この場合、図５下段に示したように、直線上の被撮像物は、特に画像周辺部では、弓なりに歪んで結像される。
【００３２】
図６は、光学系が歪曲収差を有する移動撮像装置でのＴＤＩ型ＣＣＤの動作の流れの一例を示す図である。
【００３３】
この図６では、光学系が有する歪曲収差により、結像が歪曲することにより、被撮像物３と対応する部分以外の受光画素にも電荷が生じている。
【００３４】
この図６の場合に撮像された被撮像物の画像の拡大図を図７に示す。この図７では、図６で被撮像物３と重なる部分以外の受光画素にも生じた電荷によって、実際の被撮像物よりも像が広がっている。この像の広がりによって画像が不鮮明になり、ＭＴＦ（Modulated Transfer Function）の低下を引き起こす。
【００３５】
本実施の形態では、図８下段のようにＴＤＩ型ＣＣＤの受光画素を、弓なりな曲線をもって配置することにより、歪曲収差の解消を図っている。図８下段はＴＤＩ型ＣＣＤの側面を、本実施の形態に係る移動撮像装置が移動する方向から見たものである。
【００３６】
本実施の形態で、歪曲収差を解消するには、ＴＤＩ型ＣＣＤの弓なりの形状が、解消すべき歪曲収差に適合したものでなければならない。この場合は、設計時の光学モデルを使用したシミュレーションにより、歪曲収差を算出し、算出された歪曲収差を解消する形状が決定される。
【００３７】
設計時の光学モデルを使用したシミュレーションにより、歪曲収差を算出する方法は種々考えられるが、例えば、光学的なシミュレーションにより、実際の光学系での撮像をフットプリントの形状として予測的に算出する手法が考えられる。
【００３８】
設計時の光学モデルを使用したシミュレーションにより、弓なりの湾曲が光学系に対して凸となるか凹となるか、弓なりの湾曲の形状に係る二次曲線が円弧であるか、双曲線であるか、放物線であるか、楕円弧であるか、更には湾曲の程度等を決定することができる。
【００３９】
その後、実際に光学系と撮像素子とを組み立て、この組み立てた撮像装置で実際に撮像した結果に基づいて撮像素子であるＴＤＩ型ＣＣＤの最終的な形状及び位置が調製され、決定される。
【００４０】
なお、本発明の実施の形態では、弓なりという二次元的な形状をもってＴＤＩ型ＣＣＤの受光画素を配置したが、三次元的な形状である「椀状」によって、像面湾曲等の歪曲収差以外の収差の補正にも適用し得る。
【００４１】
また、本発明の実施の形態では、ＴＤＩ型ＣＣＤを用いた撮像装置を想定しているが、それ以外のリニアイメージセンサ及びエリアイメージセンサ等の他の撮像素子であってもよい。この場合、リニアイメージセンサ及びエリアイメージセンサ等の他の撮像素子の断面を、光学系の歪曲収差の解消に適合した曲線とする。
【産業上の利用可能性】
【００４２】
本発明は、微小光量での移動物体に対する歪曲収差を解消した高解像度の撮像に適しており、ＴＤＩ型ＣＣＤを用いた移動撮像装置及び人工衛星を用いた観測装置に利用することができる。
【符号の説明】
【００４３】
１  ＴＤＩ型ＣＣＤ
２  被撮像物
３  水平シフトレジスタ
５  光学系
６  ＴＤＩ型ＣＣＤ
７  電気回路
８  バイアス電圧発生部
９  信号処理部
１０  制御部
１１  電源部
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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