(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
集積回路であって、
各センサアレイが、それに入射する光から画像を取り込むように配置されている、１つの共通基板上に製作された複数のセンサアレイであって、各センサアレイは、所定の角度より大きい角度にわたる視野に対応する部分の画像を受け取り、前記複数のセンサアレイは、それぞれが受け取る部分の画像に対応するそれぞれの視野が、相互に前記所定の角度をなすように配置される、該複数のセンサアレイと、
前記センサアレイに結合されており、前記結合されているセンサアレイで取り込まれた前記複数の画像を表す電気信号を前記センサアレイから読み出すための、前記共通基板上に形成された１若しくは複数の読み出し回路とを含み、
前記読み出し回路が前記共通基板上の中央位置に形成されており、前記センサアレイが、前記読み出し回路の周縁に沿った位置に形成されていることを特徴とする集積回路。
【請求項２】
前記複数のセンサアレイのそれぞれが受け取る部分の画像に対応するそれぞれの前記視野が、合成視野が実質的に３６０°のパノラマを構成するように互いに重なり合っていることを特徴とする請求項１に記載の集積回路。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
関連出願の相互参照
【０００２】
本願は、（ａ）米国仮特許出願第６０／９９０，６０１号及び（ｂ）米国非仮特許出願第１２／３２３，２１９号に関連しかつそれらに基づく優先権を主張する。これらは、引用を以て本明細書の一部となす。米国を指定国とする場合、本願は、上記米国特許出願第１２／３２３，２１９号の継続出願である。
【０００３】
技術分野
【０００４】
本発明は、光学カメラシステムに関する。より詳細には、本発明は、１つのＩＣチップ上に２つ以上の別々の撮像画素アレイを集積した集積回路（ＩＣ）を用いた光学カメラシステムに関する。
【背景技術】
【０００５】
光学カメラシステムには、典型的には、光学レンズまたはレンズ系と、光検知要素とが含まれる。光検知要素は、ＣＭＯＳ（相補型金属酸化膜半導体）やＣＣＤ（電荷結合素子）プロセスなど、多くの製造プロセスのうちの任意のものによって製作される伝統的なフィルムセンサまたは集積回路センサのいずれかであり得る。そのような光検知ＩＣは、伝統的に、１次元（例えば１ロウ）または２次元（例えば多数のロウ及びカラム）のシングルアレイとして配列されている画素と呼ばれる光検知要素を有している。画素アレイは、光学レンズ系によって形成される画像と整合され、光学系の焦点深度内に配置される一方で、各画素は、感光される入射光の強度に対応する電気出力を提供する。
【０００６】
典型的なシンプルなカメラシステムでは、或る物体の１つの画像が、１つの画素アレイを有する１つのセンサチップを用いて取り込まれる。しかし、実際には多くの場合に、同じ物体の複数の画像を形成するかあるいは異なる複数の物体の複数の画像を形成する必要がある。そのような用途では、複数のカメラを用いるかまたは複数のセンサレイを備えた１つのカメラシステムを用いる必要がある。例えば、プロ用のスタジオビデオカメラは、３つのセンサアレイを用いて、赤色、緑色、青色の画像を別々に取り込む。別の例として、或るパノラマ画像システム（例えば特許文献３に記載のもの）は、幾つかのセンサアレイを用いて重なり合う視野を提供し、その結果、合成画像は３６０°の全周視野を網羅し得る。
【０００７】
そのような用途に対して、従来のイメージングシステムでは、シングルアレイのイメージセンサチップ（例えばＣＣＤやＣＭＯＳセンサ）が複数個用いられ、各センサチップは、典型的にはセンサチップの中央付近に位置する２次元画素アレイを有する。この構造では、各センサチップは、別々に製作され、かつ自身の信号処理チェーン、デジタル画像処理パイプライン、またはその両方を有する。これらのチップは、画像形成レンズシステムに適合するように注意深く整合されかつ配置される。結果として、そのようなシステムは、チップ上で信号チェーンが重複しているせいで、電力消費が大きい。そのようなシステムはまた、複数のチップの整合が困難であるために、より複雑で大きく、製造費がかさむことがある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】米国仮特許出願第６０／９９０，６０１号明細書
【特許文献２】米国非仮特許出願第１２／３２３，２１９号明細書（米国特許出願公開第２００９０１３５２４５号公報）
【特許文献３】米国特許出願第１１／６２４，２０９号明細書
【特許文献４】米国仮特許出願第６１／０５２，１８０号明細書
【特許文献５】米国特許出願第１１／５３３，３０４号明細書
【特許文献６】米国特許第５，６０４，５３１号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
従って、複数の画像を取り込むことができるような、よりシンプルでコンパクトなカメラシステムが必要とされている。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明は、複数の画像を取り込むためのよりシンプルでコンパクトなカメラシステムを提供する。
【００１１】
本発明は、各イメージセンサＩＣチップが同じ半導体基板上に複数の画素アレイ（すなわち「１チップ上に複数の画素アレイ（multiple pixel arrays on a chip）」）を有する１若しくは複数のイメージセンサＩＣチップを用いるカメラシステムを提供する。一実施形態では、そのようなカメラシステムは、（ａ）互いに物理的に極めて近接して（例えば数ミリメートルまたは数センチメートル以内に）配置されている、複数の画像を作り出す複数の光学部品と、（ｂ）複数の画像を電気信号に変換するために、これら複数の画像を取り込むように整合されている複数の２次元画素アレイを含む１つのセンサ基板（「チップ」）とを含む。画素アレイは、ＣＣＤまたはＣＭＯＳ適合プロセスを用いて製造されることができる。製造上の理由から、そのようなチップは、典型的には一辺が２センチメートル以下である。しかし、大型チップの製造も可能である。
【００１２】
取り込み画像のさらなる信号処理のための光学電子部品が、センサチップ上（すなわち「ＳｏＣ（システム・オン・チップ）」実装で）、または別体をなすバックエンド特定用途向け集積回路（ＡＳＩＣ）上のいずれかに形成され得る。そのほかに、取り込み画像の閲覧及びさらなる処理を可能にするべく、デジタルストレージコンポーネント、表示要素、及び有線または無線通信リンクが、任意の適切な組合せで含まれることもある。
【００１３】
本発明は、複数のカメラまたは複数のイメージセンサを用いる従来のイメージングシステムと比べて、構造がコンパクトで、製造が簡単で、低消費電力で、製造原価が低廉であるなどの幾つかの利点を提供する。本発明の他の特徴及び利点は、以下の詳細な説明及び添付の図面を見ればすぐに分かるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】複数のセンサチップを用いた従来のカメラシステムを示す。
【図２】従来の集積型イメージセンサチップを示す。
【図３】本発明の或る例示的な実施形態を示しており、カメラシステムにおいて、２つのカメラの対物レンズの光軸が物体空間内で互いから１８０°離れて方向付けられている。
【図４】本発明の一実施形態に従うカプセルハウジング内に提供されたカメラシステム４００を示す。
【図５】本発明の一実施形態に従うカプセルカメラのハウジング内の光学系を詳細に示す。
【図６】４つの２次元画素アレイを有する１つのセンサチップの例を示す。
【図７Ａ】複数の画素アレイから出力を読み出して処理するための第１のアプローチに従って、読み出しチェーン及び任意選択の画像処理バックエンドを共有する１つのセンサチップ上の複数の画素アレイを示す。
【図７Ｂ】複数の画素アレイから出力を読み出して処理するための第２のアプローチに従って、各々に別々の読み出しチェーンが提供された複数の画素アレイを示す。
【図８】本発明の別の実施形態に従うカメラハウジング内のカメラシステム８００を示す。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
本発明は、半導体基板上（「オン・ザ・チップ」）に複数の画素アレイを有するカメラシステムを提供する。図１は、複数のイメージセンサチップを有する従来のカメラシステム１００を示す。図１に示すように、カメラシステム１００には、光学系１１０と、複数のイメージセンサＩＣチップ１２１、１２２及び１２３と、信号処理回路１３０と、表示またはストレージ要素１４０とが含まれる。光学系１１０は、典型的には複数のレンズ及び複数のビームスプリッタを含み、入射光から複数の画像を形成する。複数の光検知チップ１２１、１２２及び１２３は、焦点深度内のこれら複数の画像の位置に整合されており、検知された光をアナログまたはデジタル領域のいずれかにおいて電気信号に変換する。信号処理回路１３０は、その後、さらなる処理のために複数のイメージセンサ１２１、１２２及び１２３からの出力信号を結合する。信号処理回路１３０からの出力信号は、格納または表示のために表示またはストレージ要素１４０に送信される。
【００１６】
カメラシステム１００では、複数のセンサチップ１２１、１２２及び１２３は、同種または違う種類の集積回路チップであり得る。そのようなイメージセンサチップの或る例は、図２にセンサチップ２００として提供されている。イメージセンサチップ２００の光検知画素は、２次元画素アレイ２１１になるように配列され、実質的に中央に提供される。ロウスキャナ２１２及びカラムスキャナ２１３が、リセットされるかまたは読み出される画素を選択する。典型的には、画素アレイ２１１、ロウスキャナ２１２及びカラムスキャナ２１３は、互いに物理的に極めて近接しており、通常はセンサアレイ２１０のようにブロックと称される。センサアレイ２１０の他にも、イメージセンサチップ２００にはタイミング制御ブロック２２０が含まれることがあり、タイミング制御ブロック２２０は、センサチップ動作に必要なタイミング信号の一部または全部を生成する。ブロックセンサアレイ２１０の光検知画素からの電気出力を（様々な度合いで）処理するために、読み出しチェーン（readout chain）ブロック２３０が提供されることもある。センサチップ２００の入出力信号は、入出力（Ｉ／Ｏ）ブロック２４０によって処理される。
【００１７】
図１のシステム１００に示す従来のカメラシステムでは、複数のイメージセンサチップ１２１、１２２及び１２３を、整合し、配置し、支持する必要がある。例えば、各イメージセンサチップは、対応するイメージプレーン（画像プレーン）と整合されなければならない。各イメージセンサチップはそれぞれのパッケージ内にあるので、そのような操作は、単純作業ではなく、カメラシステムの製造原価及び物理的大きさを実質的に増大させ得る。
【００１８】
適切な設計によって、光学系１１０の互いに異なる複数のイメージプレーンを、単一のプレーンを形成するように整合することができる。そのような構造では、複数の画像が記録されるように複数の別個のイメージセンサが共通プリント基板上に配置され得、各イメージセンサは１つの画像を記録する。そのようなシステムでは、システム全体の大きさは、センサのアクティブ領域同士を如何に近接してパッキングし得るかによって決定される。数多くの要因が、パッキング密度を制限する。第一に、各画像検知チップ上の周辺回路（例えばタイミング制御回路２２０、読み出しチェーン２３０及びＩ／Ｏリング２４０）が、各センサアレイ２１０の周りの空間を占めている。ウェーハダイシング及びチップパッケージングの機械公差も考慮しなければならない。さらに、確実な基板アセンブリを可能にするように、ＰＣＢ上においてセンサパッケージ間に隙間を設ける必要がある。典型的には、各パッケージは、自身の電源ピン、接地ピン及びデータピンを有する。パッケージ同士を互いに対してより近接して配置すればするほど、ＰＣＢ上で相互接続信号をルーティングすることがより難しくなる。最後に、各イメージセンサは、複数の電源バイパスコンデンサを必要とし得るが、それらは電源ピンに近接して配置されなければならない。これほど多くの制約があるので、そのような従来のカメラシステムにおけるサイズの縮小は困難である。
【００１９】
原理的には、大画素アレイを有する十分に大きな従来のイメージセンサチップは、複数の光学対物レンズからの複数の画像を１つの光検知領域上へ記録することができる。そのような場合には、複数の画像を如何に近接してパッキングすることができるかは、イメージセンサによって制約されない。さらに、そのようなシステム内の全ての画像は、共通パッケージ、集積電力バス、信号処理回路、及び信号Ｉ／Ｏピンを共有する。従って、ＰＣＢ上の全部のピン数及びコンデンサ数は減少する。しかし、尚も機械的制約及び光学的制約によって、センサ上で複数の画像を如何に近接してパッキングすることができるかには制約がある。その結果、結果として生じる画像を形成するために多くの画素を用いることができない。これらの未使用画素は、電力を浪費し、他のセンサ機能部を提供するために用いられ得るチップ搭載面積を占領する。
【００２０】
図３は、本発明の一実施形態に従って１チップ上に複数の画素アレイを有するカメラシステム３００を示す。図３に示すように、カメラシステム３００には、（ａ）互いに物理的に極めて近接して（例えば数ミリメートルまたは数センチメートル以内に）提供される複数の画像を作り出す光学系３１０と、（ｂ）光学系３１０によって形成される複数の画像の位置に複数の２次元画素アレイを提供して画像を取り込む１つのイメージセンサ基板（「チップ」）３３０と、（ｃ）センサチップ３３０の取り込み画像をさらに処理する光学電子部品３４０と、（ｄ）デジタルストレージコンポーネント、表示要素、さらなる処理要素、あるいは有線または無線通信のための送信要素の任意の組合せであり得るような、任意選択の部品３５０とが含まれる。
【００２１】
光学系３１０は、同じ物体または互いに異なる複数の物体の複数の画像を作り出すための複数の要素を有することができる。図３に示すように、光学系３１０にはレンズサブシステム３１１及び３１２が含まれ、これら対物レンズの光軸は物体空間内で互いから１８０°離れて方向付けられており、それによって同一のイメージプレーン３２０上に画像３２１及び３２２が形成される。必要に照らして、それより多いか少ないレンズシステムを含めることもできる。実際には、画像３２１及び３２２は、同一のイメージプレーン上に正確に整合される必要はないが、光学系３１０の公差限界内でわずかな差があるということもあり得る。
【００２２】
画像チップ３３０の画素アレイは、ＣＣＤまたはＣＭＯＳ適合プロセスのいずれかを用いて製造されることができる。製造上の理由から、そのようなチップは、典型的には一辺が２センチメートル以下である。しかし、それより大きなチップも可能である。
【００２３】
光学電子部品３４０は、センサチップ３３０上（すなわち「ＳｏＣ」実装で）、または別体をなすバックエンド特定用途向け集積回路（ＡＳＩＣ）上に形成され得る。既存の技術により、アナログコンポーネントとデジタルコンポーネントを同一ＡＳＩＣ上に混載することができる。
【００２４】
任意選択の部品３５０が、取り込み画像の閲覧及びさらなる処理を可能にする。
【００２５】
図４は、本発明の一実施形態に従う嚥下可能なカプセル内のカメラシステム４００の断面図である。カメラシステム４００は、ヒトの消化管（ＧＩ管）を撮像する。カメラシステム４００は、実質的にカプセルハウジング４５０の内部にカメラシステム３００を実装したものである。この実施形態では、光学系には、４つのレンズサブシステムが含まれているが、レンズサブシステム４１１及び４１２のみを図４に示す。残り２つのレンズサブシステムは、断面図に対して直交方向に提供されている。各レンズサブシステムは、別々の画像を形成し（例えばレンズサブシステム４１１及び４１２は画像４２１及び４２２を形成する）、画像は、イメージセンサチップ４３０上の４つの複数の画素アレイのうちの１つの中に取り込まれる。４つ全ての画素アレイからの出力信号は、イメージセンサチップ４３０上で結合されてデジタル化されてから、画像処理装置ＡＳＩＣ４４０によってさらに処理される。カプセルカメラシステム４００内の他の部品には、（ａ）データＩ／Ｏの量を減らすために画像処理装置ＡＳＩＣ４４０の出力画像を圧縮するための画像圧縮手段４５０と、（ｂ）圧縮画像を格納するためのメモリブロック４７０と、（ｃ）カプセルカメラシステム４００に電力を供給するための、典型的には１若しくは複数の電池（バッテリー）からなる電源４８０と、（ｄ）外部のホストと通信するための無線リンクを含み得る入出力ブロック４９０と、（ｅ）複数の発光ダイオード（ＬＥＤ）（例えばＬＥＤ４０１及び４０２）を含む照明装置とが含まれる。
【００２６】
図５は、本発明の一実施形態に従うカプセルカメラのハウジング内の光学系を詳細に示す。カプセルカメラシステム（例えば図４のカプセルカメラシステム４００）の光学系は、ハウジング５５０内の空間５２０に設けられたレンズホルダによって一緒に保持され得る。レンズサブシステム４１１及び４１２を含むレンズサブシステムは、レンズ鏡筒（例えばレンズ鏡筒５７１）の中に入っており、レンズ鏡筒は、各レンズサブシステムのための内径を有する成型プラスチック部品である。図５に示すように、レンズサブシステム間の迷光を遮断し、上記のパーツ（図示せず）へのメカニカルインタフェースとしての機能を果たすように、レンズ鏡筒の上部にバッフル５７０が提供される。各レンズサブシステムには、複数のレンズ素子（例えばレンズ素子５１１、５１４、５１５及び５１６）と、アパーチャ５１２と、プリズム素子５１３とが含まれる。光学系からの画像を取り込むために、複数の画素アレイを備えたイメージセンサ５３０が提供される。イメージセンサ５３０は、パッケージング中に提供されかつプリント基板（ＰＣＢ）５６０上にはんだ付けされるカバーガラス５４０を有する。
【００２７】
この実施形態では、レンズ素子５１１が負パワーを有する一方で、レンズ素子５１４、５１５及び５１６によって形成されるレンズ群（大抵は「トリプレット」と呼ばれる構成）は正パワーを有し、適切な色収差補正がなされている。全体的なレンズ構成は、「折り畳まれた逆望遠（folded inverse telephoto）」レンズ構造である。逆望遠は、よくある広角レンズ構成である。カプセルカメラのためのそのようなレンズ構成は、例えば特許文献４（同時係属の撮像装置仮出願）に開示されている。特許文献４の開示は、全文を引用することを以て本明細書の一部となす。
【００２８】
図５に示すように、各レンズサブシステムは、少なくとも９０°の水平視野を有し、レンズサブシステムの光軸は、互いから９０°離れて配置されている。これらの４つのレンズサブシステムからの４つの画像を合成することによって、３６０°の視野をカバーするパノラマ画像を再現することができる。
【００２９】
図６は、本発明の一実施形態に従う、図４のイメージセンサチップ４３０のための例示的なレイアウト（配置）６００を示す。レイアウト６００は、典型的には半導体材料である共通基板６５０上に提供されている。共通基板６５０の上部には、４つのレンズサブシステムによって形成される対応する画像の予測位置に、別々の画素アレイ６１１、６１２、６１３及び６１４が提供されている。例えば、レンズサブシステム４１１によって形成される画像４２１を取り込むために画素アレイ６１４が提供され、レンズサブシステム４１２によって形成される画像４２２を取り込むために画素アレイ６１２が提供される。これらの画素アレイは各々、専用のロウ／カラムスキャナが提供され得るか、あるいは他の画素アレイとロウ／カラムスキャナを共有し得る。複数の画素アレイの位置は、光学系によって形成される複数の画像の位置に適応するように設計されている。画素アレイ間の距離は、典型的にはミリメートルのオーダーであるが、数十ミクロンから数センチメートルまたは数インチの間で変わり得る。
【００３０】
画素アレイ６１１、６１２、６１３及び６１４の他にも、タイミング制御ブロック６２０と、画素アレイから電気出力信号を読み出すための１若しくは複数の読み出しチェーン（例えば読み出しチェーン６３０）と、Ｉ／Ｏリング構造６４０とを含む他の部品も基板６５０上に形成され得る。そのような部品は、従来の構造を有し得る。
【００３１】
図７Ａ及び図７Ｂは、複数の画素アレイからの画像データを読み出すための異なるアプローチを示している。例えば、図７Ａは、第１のアプローチに従って、マルチプレクサ７１４を通じて読み出しチェーン７１５を共有する１つのセンサチップ上に形成された画素アレイ７１１、７１２、・・・及び７１３を示す。読み出しチェーン７１５からのデータは、任意選択の画像処理バックエンドまたは処理装置７１６に提供される。図７Ｂは、第２のアプローチに従って、それぞれ別々の読み出しチェーン７２４、７２５、・・・及び７２６が提供されている画素アレイ７２１、７２２、・・・及び７２３を示す。あるいは、図７Ａ及び図７Ｂのアプローチを組み合わせたハイブリッド・アーキテクチャが用いられ得る。そのようなハイブリッド・アーキテクチャでは、一部の画素アレイからの出力信号は多重化されて或る読み出しチェーンによって読み出され得るが、別の画素アレイからの出力信号は多重化されて別の読み出しチェーンによって読み出され得る。
【００３２】
図８は、本発明の別の実施形態に従うカプセルカメラシステム８００の断面図を示す。カメラシステム８００には、複数のレンズサブシステムを用いて複数の画像を作り出す光学系が含まれる（例えば、レンズサブシステム８１１及び８１２は画像８２１及び８２２を提供する）。図８の例示的な実施形態では、適切な数（例えば４つ）の適切に配置されたレンズサブシステムであって各々がレンズ素子及びプリズム素子で構成されている該レンズサブシステムが、イメージセンサチップ８３０に画像を提供する。イメージセンサチップ８３０には、画像を取り込むための複数の画素アレイが提供され得る。画素アレイからの出力信号は、イメージセンサチップ８３０上で結合されてデジタル化され、画像処理装置ＡＳＩＣ８４０によって処理される。イメージセンサチップ８３０及び画像処理装置ＡＳＩＣ８４０の両方をＰＣＢ８６０上に搭載することができる。イメージセンサチップ８３０及び処理装置ＡＳＩＣ８４０は、同じかまたは別々のＰＣＢ上に搭載され得る。あるいは、画像処理装置ＡＳＩＣ８４０はまた、必要に応じてカメラハウジング８５０の外に提供され得る。
【００３３】
カプセルカメラシステム８００は、各々が９０°以上の水平視野を有する複数の光学レンズサブシステムによって提供される画像から３６０°のパノラマ画像を作成し得る。そのようなカメラは、広い視野が望まれる用途、例えば監視カメラ及び内視鏡カメラなどに用いられることができる。
【００３４】
このようにして、本発明は、複数のカメラまたはイメージセンサを用いた先行技術のイメージングシステムよりもシンプルで費用効率が高いシステムにおいて複数の画像を処理する。共通センサチップ上に複数の画素アレイを製作することによって、製造中に画像取り込み装置を整合しかつ支持することができる。画素アレイは、互いに対して１ミクロン以下の精度で形成され得る。そのような共通センサチップは、最初のセンサチップを超えて複数のセンサチップのパッケージング及びハンドリングに付随する追加費用を実質的に削減する。複雑なシステムをより単純にすることで、結果的に製造原価が下がる。さらに、シングルチップ上に提供された信号処理要素は、複数の画素アレイ間で共有され得る。その結果として、信号処理機能部を実装するのに必要なシリコン領域は少なくなり、結果的に、ダイサイズが小さくなり、電力が抑えられ、製造原価が下がる。
【００３５】
本発明のイメージングシステムは、よりコンパクトでもある。適切に設計すれば、１つのイメージセンサチップ及び複数の画素アレイを用いるカメラシステムは、設置面積が小さく、コンパクトな構造が望まれるどんなところでも用いられることができる。例えば、本発明のイメージングシステムをカプセルカメラに用いて消化管（ＧＩ管）を撮像することができる。そのような用途は、例えば、特許文献５または特許文献６に記載されている。
【００３６】
上記の詳細な説明は、本発明の特定の実施形態を説明するために与えられているものであって、本発明を限定する意図はない。本発明の範囲内での数多くの変更形態及び変形形態が可能である。本発明は、以下の請求項に示されている。
【図１】
0006030524.tif 000002
【図２】
0006030524.tif 000003
【図３】
0006030524.tif 000004
【図４】
0006030524.tif 000005
【図５】
0006030524.tif 000006
【図６】
0006030524.tif 000007
【図７Ａ】
0006030524.tif 000008
【図７Ｂ】
0006030524.tif 000009
【図８】
0006030524.tif 000010