(57)【要約】【課題】第１の複数の感光素子を備える電子撮像デバイスを提供する。【解決手段】第１の複数の感光素子はそれぞれ、第１の受光開口数を有する。電子撮像デバイスは、さらに、第２の複数の感光素子の感光素子を備え、第２の複数の感光素子のそれぞれの感光素子は、第１の複数の感光素子のそれぞれの感光素子の近くに配置され、それにより複数の二重感光素子が形成される。第２の複数の感光素子はそれぞれ、第２の受光開口数を持ち、第２の受光開口数は、第１の受光開口数よりも小さい。【選択図】図１
2007221129.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電子撮像デバイスであって、
複数のセンサ素子を備え、前記複数のセンサ素子のうちの第１の所定の個数の素子は、第１の開口数値を持ち、前記複数のセンサ素子のうちの第２の所定の個数の素子は、第２の開口数値を持ち、前記第１の開口数値は、前記第２の開口数値と異なる電子撮像デバイス。
【請求項２】
前記複数のセンサ素子は、前記複数のセンサ素子のうちの前記第１の所定の個数の素子が、前記複数のセンサ素子のうちの前記第２の所定の個数の素子のそれぞれの近くに配置される請求項１記載の電子撮像デバイス。
【請求項３】
前記複数のセンサ素子の前記第１の所定の個数は、前記複数のセンサ素子の前記第２の所定の個数に等しい請求項１記載の電子撮像デバイス。
【請求項４】
前記複数のセンサ素子は、複数の行および複数の列を持つグリッド状アレイに配列される請求項１記載の電子撮像デバイス。
【請求項５】
電子撮像デバイスであって、
第１の複数の感光素子であって、前記第１の複数の感光素子のそれぞれが第１の受光角を持つ第１の複数の感光素子と、
第２の複数の感光素子であって、前記第２の複数の感光素子のそれぞれは第２の受光開口数を持ち、前記第２の複数の感光素子のそれぞれの感光素子は前記第１の複数の感光素子のそれぞれの感光素子の近くに配置され、それにより複数の二重感光素子を形成する、第２の複数の感光素子とを備え、
前記第１の受光角は、前記第２の受光角よりも大きい電子撮像デバイス。
【請求項６】
電子撮像デバイスであって、
複数の光センサを備え、前記複数の光センサのそれぞれは、
第１の受光開口数を持つ第１の光検出器と、
第２の受光開口数を持つ第２の光検出器であって、前記第２の受光開口数は、前記第１の受光開口数と異なる、第２の光検出器と、
少なくとも１つの追加の光検出器であって、前記少なくとも１つの追加の光検出器のうちの少なくとも１つは、前記第１の受光開口数と異なる受光開口数を持つ少なくとも１つの追加の光検出器とを備える複数の光検出器を備える電子撮像デバイス。
【請求項７】
撮像デバイスであって、
レンズと、
複数のセンサ素子を備える、前記レンズの焦点面の近くに配置された半導体デバイスと、
前記半導体デバイスと通信するイメージプロセッサとを備え、
前記複数のセンサ素子のうちの第１の所定の個数の素子は、第１の開口数値を持ち、前記複数のセンサ素子のうちの第２の所定の個数の素子は、第２の開口数値を持ち、前記第１の開口数値は、前記第２の開口数値と異なる撮像デバイス。
【請求項８】
焦点面を持つ電子撮像デバイスであって、
前記焦点面と実質的に平行な第１の平面内に配置された第１の複数の光センサと、
前記第１の平面内に配置された第２の複数の光センサと、
前記第１の複数の光センサの近くに配置されたアパーチャマスクとを備え、前記アパーチャマスクは、第１の複数の開口部と第２の複数の開口部とを定め、前記第１の複数の開口部のそれぞれは、第１の面積を有し、前記第２の複数の開口部のそれぞれは、第２の面積を有し、前記第１の面積は、前記第２の面積と異なり、前記第１の複数の開口部のそれぞれは、前記第１の複数の光センサのうちのそれぞれの光センサに関連付けられ、前記第２の複数の開口部のそれぞれは、前記第２の複数の光センサのうちのそれぞれの光センサに関連付けられる、焦点面を持つ電子撮像デバイス。
【請求項９】
ビデオ検査デバイスであって、
ディスプレイと、
イメージセンサとその遠位端に配置されたレンズとを備える挿入管とを備え、前記イメージセンサは、前記ディスプレイと通信し、電子イメージャを備え、前記電子イメージャは、
複数のセンサ素子を備え、前記複数のセンサ素子のうちの第１の所定の個数の素子は、第１の開口数値を持ち、前記複数のセンサ素子のうちの第２の所定の個数の素子は、第２の開口数値を持ち、前記第１の開口数値は、前記第２の開口数値と異なるビデオ検査デバイス。
【請求項１０】
遠隔外観検査デバイスであって、
ベースモジュールと、
計算モジュールと、
取り外し可能な検査モジュールと、
相互接続モジュールと、
電源モジュールと、
単一表示モジュールおよび制御モジュールと、
イメージセンサを備え、前記イメージセンサは、複数のセンサ素子を備え、前記複数のセンサ素子のうちの第１の所定の個数の素子は、第１の開口数値を持ち、前記複数のセンサ素子のうちの第２の所定の個数の素子は、第２の開口数値を持ち、前記第１の開口数値は、前記第２の開口数値と異なる遠隔外観検査デバイス。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、一般的に電子撮像デバイスに関するものであり、具体的には複数の光センサアレイを備える電子撮像デバイスに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
ＣＣＤ（電荷結合素子）およびＣＭＯＳ（相補型金属酸膜半導体）撮像デバイスに基づくものなどの従来の固体撮像デバイスは、典型的には、半導体チップの表面または層上に分散された光センサの２次元アレイとともに、このアレイ上に像の焦点を合わせる（開口を通過する光の形態で）ために使用される光学系からなる。このアレイのそれぞれの光センサは、一般的に、「画素」または「ピクセル」と呼ばれる。それぞれの光センサに到達する光エネルギーの量の記録および記憶が行われ、光センサの出力は、全体で、取り込み画像を形成する。このような撮像デバイス、つまり「イメージャ」は、階調画像またはカラー画像のいずれかを取り込むように構成することができる。カラーイメージャは、一般に、光センサアレイを形成する隣接する赤色、青色、および緑色のピクセルのグループを持つように構成される。
【０００３】
一般的に、このようなイメージャの光学系は、できる限り多くの光を集める一方で、製作されたイメージャ内の可能な最大の被写界深度を与えるようにすることが望ましい。本明細書で使用されているような「被写界深度」という語句は、光学系の主焦点の前（つまり、光センサアレイに近い方）および後の両方に焦点が合ったままである像の面積を指す。被写界深度は、光学系の開口および撮像される物体までの距離に左右され、近い物体ほど、生じる被写界深度は浅く、焦点距離が短いほど、生じる被写界深度は大きくなる。
【０００４】
光学系の開口数（「ＮＡ」）は、イメージャで利用できる光の総量を規定する制御特徴であり、一般的に、光学系のレンズの口径とレンズの焦点距離との比として定義される。数学的に言うと、ＮＡは、開口の直径ｄをレンズの焦点距離ｆで割って１／２を掛けたものである。デジタルイメージャでは、焦点距離は、レンズアセンブリと光センサアレイの表面との間の、所望の像の焦点がそのアレイ上に合ったときの光学距離のことである。
【０００５】
イメージャの被写界深度およびイメージャにより取り込まれるイメージの輝度は、ＮＡの数値と像の空間分解能を与える光センサの個数との関数で表される。これらのパラメータは、相互に関係しており、実際に、取り込まれた像の輝度と像の被写界深度との間のトレードオフの関係の評価が必要になる。言い換えると、既存のイメージャでは、明るい像が望ましいが（像内の目に見える細部を照らすために）、像が明るいほど、被写界深度は小さくなり、またその逆も言える。
【０００６】
このトレードオフの関係は、例えば、従来のＣＣＤ型内視鏡またはボアスコープにおいて容易に見られ、そこでは、照明は、通常、環境条件によって制限され、したがって、使用可能な光量を与え、輝度を付与する十分な大きさであるが、特定の用途については十分な被写界深度が得られる十分に小さな開口を持つ設計に対し好都合である。多くの場合、このような妥協は、両方の世界の最も良いものを犠牲にすることになり、その結果、被写界深度の劣るぼやけた像が生じる。
【０００７】
従来のイメージャに関連する他の欠点は、光学系のレンズを移動し、光学系の光を受け入れる開口を変更する必要がある複雑でデリケートな（通常は機械的な）システムに由来する。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本発明の目的は、明るく、被写界深度の高い像の取り込みおよび表示を可能にする電子撮像デバイスを実現することである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
そのため、本発明の一態様では、第１の複数の感光素子および第２の複数の感光素子を備えるイメージャが実現される。第２の複数の感光素子の感光素子のそれぞれは、第１の複数の感光素子のそれぞれの感光素子の近く配置され、それにより複数の二重感光素子が形成される。第１の複数の感光素子はそれぞれ、第１の受光開口数を有する。第２の複数の感光素子はそれぞれ、第２の受光開口数を有し、第２の受光開口数は、第１の受光角よりも小さい。
【００１０】
本発明の他の態様では、複数の光センサを備える電荷結合素子（ＣＣＤ）が実現される。複数の光センサはそれぞれ、第１の受光開口数を有する第１の光検出器および第２の受光角を有する第２の光検出器を備え、第２の受光開口数は、第１の受光開口数よりも小さい。
【００１１】
本発明のさらに他の態様では、第１の受光開口数を有する複数の第１の光センサ素子を備える電荷結合素子が実現される。複数の第１の光センサ素子はそれぞれ、その近くに第２の受光開口数を有する少なくとも１つの第２の光センサ素子を配置しており、第２の受光開口数は、第１の受光開口数よりも小さい。
【００１２】
さらに他の実施形態によれば、撮像デバイスが実現される。撮像デバイスは、少なくとも１つのレンズと、少なくとも１つのレンズ素子の焦点面の近くに配置された半導体デバイスとを備える。半導体デバイスは、光センサのアレイを備える。光センサのアレイは、第１の受光開口数を有する第１の複数の光センサおよび第２の受光開口数を有する第２の複数の光センサを含む。第１の複数の光センサはそれぞれ、第２の複数の光センサのうちのそれぞれの近くに配置される。撮像デバイスは、さらに、半導体デバイスと通信するイメージプロセッサを備える。
【００１３】
さらに他の実施形態によれば、第１の平面（焦点面など）内に配置されている第１の複数の光センサおよびさらに第１の平面内に配置されている第２の複数の光センサも備える電荷結合素子が実現される。電荷結合素子は、さらに、第１の平面の近くに配置されたアパーチャマスクを備える。アパーチャマスクは、第１の複数の開口部と第２の複数の開口部を定める。第１の複数の開口部のそれぞれは、第１の面積を定め、第２の複数の開口部のそれぞれは、第２の面積を定め、第１の面積は、第２の面積よりも広い。第１の複数の開口部のそれぞれは、第１の複数の光センサのそれぞれの光センサに関連付けられ、第２の複数の開口部のそれぞれは、第２の複数の光センサのそれぞれの光センサに関連付けられる。
【００１４】
本発明の追加の特徴および利点は、以下の「発明を実施するための最良の形態」の節で説明され、一部は、説明を読むことで当業者には容易に明らかであるか、または以下の「発明を実施するための最良の形態」、特許請求の範囲とともに、付属の図面を含めて、本明細書で説明されているような本発明を実施することにより理解されるであろう。
【００１５】
前記の一般的説明および以下の詳細な説明は、単に本発明の例示的な実施例にすぎず、本発明の性質および特質を請求されている通りに理解するための概要または枠組みを与えることを意図されている。付属の図面は、本発明の理解をさらに進めるために含まれ、また本明細書に組み込まれ、本明細書の一部をなす。図面は、本発明のさまざまな実施形態を例示しており、説明と併せて、本発明のいくつかの原理および動作を説明するために使用される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
本発明は、その用途において、好ましい実施形態の詳細な説明で述べられている、または図面に例示されているコンポーネントの構造および配置の詳細に限定されないことは理解されるであろう。本発明は、他の実施形態を実施することができ、またさまざまな方法で実施もしくは実行することができる。
【００１７】
そこで、本発明の好ましいいくつかの実施形態を詳細に参照するが、その実施例は、付属の図面に例示されている。可能な限り、同じ参照番号は、図面全体を通して、わかりやすくするために同じまたは類似のパーツを指すために使用される。
【００１８】
図１を参照すると、本発明によるビデオイメージ検査デバイス２００（例示的な実施形態におけるボアスコープ）は、例えば、ニュージャージー州フランダースのＥｖｅｒｅｓｔ  ＶＩＴ，Ｉｎｃ．社が市販しているタイプのものが例示されている。このようなデバイスは、例示的な実施形態に示されているように、デバイス用の電源２０４およびメタルハライドアークランプ（図に示されていない）などの光源を備える携帯型の輸送／運転用ケース２０２を含むことが可能である。輸送／運転用ケース２０２は、ケーブル２０８を介してハンドピースと通信し動作することが示されている。ハンドピース２０６は、例えば、ＬＣＤモニタ２１０（撮像デバイスで見た像を表示する）、ジョイスティック制御装置２１２（ビデオイメージ検査デバイス２００の遠位端２１８を連接するため）、およびボタンセット２１６（ビデオイメージ検査デバイス２００に関連付けられている測定、デジタル、および測定制御装置にアクセスするため）を備えることができる。ハンドピース２０６は、さらに、遠位端２１８で終端する、挿入管２１４に接続される。本明細書で使用されているような「遠位」という用語は、「ハンドピース２０６から最も遠いところにある、ボアスコープの先端の方向にある」ということを意味するものとする。挿入管２２０は、挿入管２１４の直径および長さを変えることにより、所望の用途に応じてサイズ設定することができる。挿入管２１４（図に示されていない）の内部は、光ファイバーケーブルおよび関節状ワイヤなどの標準的なイメージャ回線および通信／制御手段を含むことができる。
【００１９】
ビデオイメージ検査デバイス２００の挿入管２１４の遠位端２１８は、レンズ系および撮像チップ１００を備えるイメージセンサ１００を含む。
【００２０】
図１Ａを参照すると、本発明が具現化されている撮像デバイス１００の概略図が示されている。撮像デバイスに関する追加の詳細は、参照により開示全体が本明細書に組み込まれている、２００４年１月２９日に出願した共通出願の米国特許出願第１０／７６８，７６１号において開示されている。撮像デバイス１００は、レンズ１０２およびイメージセンサ１０４を備え、それぞれ撮像または光軸に沿って配置されている。レンズ１０２は、平行な光線を焦点面１０３上に集束し、それにより像の焦点をイメージセンサ１０４上に合わせることができるように構成される。イメージセンサ１０４は、基板２０上に配置された多素子光センサ１６、１８のアレイを含む感光チップ１０を備える。複数の多素子光センサ１６、１８はそれぞれ、レンズ１０２の焦点面１０３のところ、またはその近くに配置される。多素子光センサ１６、１８はそれぞれ、少なくとも１つの大開口数光センサ１６および少なくとも１つの小開口数光センサ１８を備える。「開口数」は、本明細書では、光学系または素子を出入りできるメリジオナル光線の最大円錐の頂角の正弦に、円錐の頂点が置かれている媒体の屈折率を掛けた値として定義される。本明細書で使用されているような「大開口数光センサ」および「小開口数光センサ」という用語は、比較級の指示語である、つまり、大開口数光センサは、小開口数光センサに比べて大きな開口数、または受光角を有する光センサのことである。デバイスの特定の要件に応じて、大開口数光センサと小開口数光センサは両方とも、従来大または小開口数と考えられていたものを持つことが可能である。感光チップ１０は、さらに、アパーチャマスク層２２を含むことができる。アパーチャマスク層２２は、例えば、従来の半導体チップ製造技術を使用して蒸着される不透明物質の層とすることができる。開口部１０８は、従来のフォトリソグラフィおよびエッチング技術を使用して作られる。図１Ａに示されているように、大開口数光センサ１６およびアパーチャマスク層２２内の関連する開口部１０８のサイズは連携して、大開口数光センサの受光角θＬを定義する。同様に、小開口数光センサ１８およびアパーチャマスク層２２内の関連する開口部１０８のサイズは連携して、小開口数光センサの受光角θＳを定義する。
【００２１】
一実施形態では、図１Ｂに示されているように、多素子光センサ１６、１８が大開口数光センサ１６および小開口数光センサ１８を含み、大開口数光センサ１６およびその関連する小開口数光センサ１８は、それぞれの受光角θＬ、θＳの頂点ができる限り一致するように位置決めされる。このような配置をとることで、小開口数光センサ１８によって受け取られる収束光円錐の実質的中心が大開口数光センサ１６によって受け取られる収束光円錐内に置かれるようにすることができる。この配置をとると、目標像の同じ点が両方の光センサにより取り込まれ、それにより像のぼけが最低限に抑えられるため、最もクリアな、または最良の分解能の像を取り込むことができる。図１Ｃは、多素子光センサ１６、１８の拡大概略断面図を示している。大および小開口数光センサ１６、１８の開口数に対する開口部１０８の構成の影響が示されている。アパーチャマスク層２２内の開口部１０８の壁は、それぞれの光センサに対するそれぞれの受光角を近似するように傾斜させることができ、それにより、それぞれの光センサ１６、１８に到達する光の量が最大になるようにできる。側面１１０の傾斜度は、例えば、レンズ１０２の焦点距離などの光学特性によって決まる。
【００２２】
しかし、本発明の他の実施形態では、収束光円錐が一部のみ重なり合うように大および小開口数光センサ１６、１８を配列することが可能である。さらに、それぞれの光センサは、そのセンサに入射する光に比例する電気信号を発生し、それらの信号はそれぞれ、別々に読み取られるので、電気信号を任意の組合せで信号処理アルゴリズムを使用して組合せ、結果として得られる像内に所望の効果を与えることができる。
【００２３】
次に、本発明の感光チップ１０のさまざまな例示的な実施形態を参照すると、図２Ａ、図２Ｂ、図２Ｃ、図２Ｄ、および図２Ｅにおいて、本発明の感光チップ１０のさまざまな実施形態の正面図が示されている。チップ１０は、多素子光センサのｎ×ｎアレイ１２を備える。それぞれの多素子光センサは、１つの大開口数光センサ１６および１つの小開口数光センサ１８を備える。それぞれの大開口数光センサ１６およびそれぞれの小開口数光センサ１８は、それぞれの光センサに入射した光の強度に比例する個々の電気信号を発生する。多素子光センサを構成する大および小開口数光センサ１６、１８からの２つの電気信号は、デジタル信号処理技術（後述）を使用して組み合わされ、それにより、複合電気信号を発生する。大開口数ピクセルおよび小開口数ピクセルの相対的開口数は、撮像デバイスの使用条件に基づいて選択される。例えば、ボアスコープ用途では、大開口数ピクセルは、約Ｆ１から約Ｆ４までのＦナンバーを持つように設計することができ、小開口数ピクセルは、約Ｆ１２から約Ｆ２５までのＦナンバーを持つように設計することができ、大開口数と小開口数との比は、約３から約２５までの範囲内とすることができる。
【００２４】
一実施形態では、図２Ａに示されているように、それぞれの多素子光センサ１４は、単一の大開口数光センサ１６および単一の小開口数光センサ１８を備える。図２ａに示されている実施形態では、大開口数光センサ１６ａ、１６ｂ、１６ｃ、１６ｄ、１６ｅ、１６ｆ、１６ｇ、１６ｈ、１６ｉは、約５μｍの周期を持つ２次元長方形グリッド状アレイで配置されることが示されている。小開口数光センサ１８ａ、１８ｂ、１８ｃ、１８ｄ、１８ｅ、１８ｆ、１８ｇ、１８ｈ、１８ｉは、同様に、２次元グリッド状アレイで配置され、小開口数光センサ１８はそれぞれ、大開口数光センサ１６に近くなるように配置される。図２Ａは、関連する大開口数光センサ１６ａ、１６ｂ、１６ｃ、１６ｄ、１６ｅ、１６ｆ、１６ｇ、１６ｈ、１６ｉと同じ行内に配置された小開口数光センサ１８ａ、１８ｂ、１８ｃ、１８ｄ、１８ｅ、１８ｆ、１８ｇ、１８ｈ、１８ｉを示している。しかし、当業者であれは、大開口数ピクセル１６および関連する小開口数ピクセル１８の相対的配置は、チップ製造プロセスとチップ１０が使用される光学系の両方の能力によって決まる設計上の選択であることを理解するであろう。例えば、図２Ｂは、本発明のチップ１０の代替え実施形態を示している。それぞれの大開口数光センサ１６は、それでも、関連付けられている大開口数光センサ１６の近くに配置されている小開口数光センサ１８を備える。しかし、例示されている実施形態では、大開口数光センサは、２次元グリッド状アレイ１６ａ、１６ｂ、１６ｃ、１６ｄ、１６ｅ、１６ｆ、１６ｇ、１６ｈ、１６ｉで配列され、小開口数光センサ１８ａ、１８ｂ、１８ｃ、１８ｄ、１８ｅ、１８ｆ、１８ｇ、１８ｈ、１８ｉは、２次元グリッド状アレイで配列されており、大開口数光センサの行と小開口数光センサの行とは交互に並んでいる。そのため、大開口数光センサ１６およびその関連する小開口数光センサ１８は、同じ列内に配置される。アパーチャマスク層２２（図１Ａに示されている）は、チップに施され、選択されたサイズの光センサ素子とともに使用され、それにより所望の開口数を持つようにそれぞれの光センサ素子を構成する。
【００２５】
図２Ｃに示されているようなチップ１０のさらに他の実施形態では、大開口数光センサ１６ａ、１６ｂ、１６ｃ、１６ｄ、１６ｅ、１６ｆ、１６ｇ、１６ｈ、１６ｉは、２次元グリッド状アレイで配列された環状光センサである。大開口数光センサ１６ａ、１６ｂ、１６ｃ、１６ｄ、１６ｅ、１６ｆ、１６ｇ、１６ｈ、１６ｉの形状は、実質的に環状である。小開口数光センサ１８ａ、１８ｂ、１８ｃ、１８ｄ、１８ｅ、１８ｆ、１８ｇ、１８ｈ、１８ｉは、大開口数光センサ１６ａ、１６ｂ、１６ｃ、１６ｄ、１６ｅ、１６ｆ、１６ｇ、１６ｈ、１６ｉの円環の中心開口部に嵌るサイズであり、関連する大開口数光センサ１６ａ、１６ｂ、１６ｃ、１６ｄ、１６ｅ、１６ｆ、１６ｇ、１６ｈ、１６ｉの境界内に配置される。小開口数光センサ１８ａ、１８ｂ、１８ｃ、１８ｄ、１８ｅ、１８ｆ、１８ｇ、１８ｈ、１８ｉは、例えば、円形、六角形、または長方形などの任意の形状とすることができる。小開口数光センサ１８の形状は、とりわけ、チップ製造プロセス、大開口数光センサのフォームファクタ、および関連する光学系の設計を含む、さまざまな因子により異なる設計上の選択である。本発明のチップ１０の一実施形態では、環状光センサおよび中心光センサは、互いに一致するが、レンズ１０２から異なる距離のところに配置される。一実施形態では、小開口数光センサ１８ａ、１８ｂ、１８ｃ、１８ｄ、１８ｅ、１８ｆ、１８ｇ、１８ｈ、１８ｉは、実質的に大開口数光センサ１６ａ、１６ｂ、１６ｃ、１６ｄ、１６ｅ、１６ｆ、１６ｇ、１６ｈ、１６ｉ内の中心に置かれる。他の実施形態では、小開口数光センサ１８ａ、１８ｂ、１８ｃ、１８ｄ、１８ｅ、１８ｆ、１８ｇ、１８ｈ、１８ｉの重心は、大開口数光センサ１６ａ、１６ｂ、１６ｃ、１６ｄ、１６ｅ、１６ｆ、１６ｇ、１６ｈ、１６ｉの重心と実質的に同じ位置に来ることはない。
【００２６】
しかし、大開口数光センサ１６および小開口数光センサ１８は、図２Ａおよび図２Ｂでは長方形の素子として、また図２Ｃでは円形の素子として示されているが、これらの幾何学的表現は、単に、本発明の可能な実施形態を理解しやすくする便宜上のものにすぎない。感光チップを設計する当業者であれば、それぞれの光センサ素子の幾何学的形状は、十分に当業者の能力の範囲内にある一意的な設計上の選択であり、付属の図を例示するために使用される幾何学的形状は、決して、本発明を制限するものではない。
【００２７】
さらに他の実施形態では、図２Ｄに示されているように、本発明は、大開口数光センサの第１の２次元グリッド状アレイ１６ａ、１６ｂ、１６ｃ、１６ｄ、１６ｅ、１６ｆ、１６ｇ、１６ｈ、１６ｉ、１６ｊ、１６ｋ、１６ｍ、１６ｎ、１６ｐ、１６ｑおよび小開口数光センサの第２の２次元グリッド状アレイ１８ａ、１８ｂ、１８ｃ、１８ｄ、１８ｅ、１８ｆ、１８ｇ、１８ｈ、１８ｉ、１８ｊ、１８ｋ、１８ｍ、１８ｎ、１８ｐ、１８ｑを含む。アレイのそれぞれの素子が他のアレイの４つの素子と隣接するように２つのアレイが配置される。つまり、大開口数と小開口数が行と列で交互に並ぶということである。この構成をとると、非常に柔軟な画像取り込み信号後処理が行える。この構成では、それぞれ多素子光センサ１４は、単一の大開口数光センサ１６を含み、その電気信号が光センサ１６に関連付けられている最大４つまでの小開口数光センサ素子１８と組み合わされるか、または単一の小開口数光センサ１８を含み、その電気信号が最大４つまでの隣接する大開口数光センサの電気信号と組み合わせることができる。当業者であれば理解するように、チップ１０のこの構成では、大開口数光センサ１６からのどの電気信号を小開口数光センサからのどの電気信号と組み合わせるかをかなり自由に選択することができる。例えば、一実施形態では、本発明は、小開口数光センサ１８ｂ、１８ｄ、１８ｅ、および１８ｈからの電気信号を大開口数光センサ１６ｅからの電気信号と、小開口数光センサ１８ｃ、１８ｅ、１８ｆ、および１８ｉからの電気信号を大開口数光センサ１６ｆからの電気信号と組み合わせるように構成される。そのため、多重小開口数光センサからの電気信号は、単一大開口数光センサからの電気信号と組み合わせることができる。
【００２８】
さらに他の実施形態では、図５に示されているように、本発明のチップ１０は、大開口数光センサの第１の２次元グリッド状アレイ１６ａ、１６ｂ、１６ｃ、１６ｄ、１６ｅおよび小開口数光センサの第２の２次元グリッド状アレイ１８ａ、１８ｂ、１８ｃ、１８ｄを含む。アレイのそれぞれの素子が他のアレイの４つの素子と隣接するように２つのアレイが配置される。つまり、大開口数と小開口数が行と列で交互に並ぶということである。この構成では、大開口数光センサ１６および小開口数光センサ１８は両方とも、単色であり、階調画像を取り込むように構成されている。チップが読み出されると、小開口数光センサ電気信号は、大開口数光センサ１６の電気信号と分離される。次いで、これらの分離された電気信号に対し、図５ｂに示されている、補間プロセスを適用する。この補間プロセスは、大開口数電気信号および小開口数電気信号の両方について並列に実行される。図５ａの大開口数光センサ１６ａおよび１６ｂの場合、これらの光センサから誘導された電気信号は、小開口数光センサ１８ａが読み出される期間に不連続性を有する。図５ｂの補間プロセッサは、この不連続を置き換える好適な電気信号値を計算する。この置換電気信号は、単一小開口数光センサ１８ａに隣接する４つの大開口数光センサからの電気信号の組合せからなる。同様に、図５ａの小開口数光センサ１８ｂおよび１８ｃの場合、これらの光センサから誘導された電気信号は、大開口数光センサ１６ｃが読み出される期間に不連続性を有する。図５ｂの補間プロセッサは、この不連続を置き換える好適な電気信号値を計算する。この置換電気信号は、単一大開口数光センサ１６ｃに隣接する４つの小開口数光センサからの電気信号の組合せからなる。補間プロセスの出力は、図５ｃに示されているような大開口数光センサのうちの１つと図５ｄに示されているような小開口数光センサのうちの他の１つである、２つの並列画像アレイである。これら２つの並列画像アレイは、図５ｅに示されているように決定行列に入力される。図５ｆの出力像の素子毎に、図５ｃのアレイからの大開口数素子の高輝度と図５ｄのアレイからの小開口数素子の高被写界深度とについて決定を下す。そのため、図５ｅの出力像は、大および小開口数素子の組合せである。この実施形態の一実施例は、十分に照明された前景と暗い背景とを持つシーンである。決定行列では、前景を撮像するために小開口数素子を選択し、より暗い背景については大開口数素子を選択し、それにより、取り込まれた像の輝度と像の被写界深度とのトレードオフの関係を評価しなければならない単一開口数からなるものよりも良い画質の複合画像を描画する。この実施例では３×３行列を使用したが、他のサイズの行列を使用して、異なるイメージャサイズおよび処理要求条件に合わせることができる。
【００２９】
図２Ｅを参照すると、本発明の像感知チップ１０の代替え実施形態が示されている。イメージセンサチップ１０は、大開口数光センサ素子１６の２次元グリッド状アレイ、および基板２０上に配置された小開口数光センサ素子１８の２次元グリッド状アレイを備える。すでに説明されている実施形態とは異なり、この実施形態では、大および小開口数光センサ１６、１８は両方とも、同じ受光面積を有する。図４Ｂを参照すると、像感知チップ１０の構成をさらによく理解できる。マスク層２２の高さは、像感知チップ１０の表面の端から端までにおいて変化し、これは、それぞれの光センサの開口数を設定するために使用される。これからわかるように、小開口数光センサの頂角θｓは、大開口数光センサの頂角θＬよりも小さい。
【００３０】
さらに他の実施形態では、図６に示されているように、本発明のチップ１０は、大開口数光センサの第１の２次元グリッド状アレイＬ１、Ｌ２、Ｌ４、Ｌ５、．．．および小開口数光センサの第２の２次元グリッド状アレイＧ１、Ｒ２、Ｇ３、Ｒ４、Ｇ５、Ｂ６、Ｇ７、Ｂ８、Ｇ９、Ｂ１０、．．．を含む。この２つのアレイは、図６ａに示されているように配置されている。この構成では、大開口数光センサＬは、単色であり、階調画像を取り込むように構成されている。小開口数光センサＧ１、Ｒ２、Ｇ３、Ｒ４、Ｇ５、Ｂ６、Ｇ７、Ｂ８、Ｇ９、Ｂ１０、．．．は、カラーであり、カラー画像を取り込むために業界標準のＢａｙｅｒパターンで配列されている。チップが読み出されると、小開口数カラー光センサ電気信号は、大開口数単色光センサの電気信号から分離される。図６ａの出力は、図６ｃに示されているような大開口数光センサの１つの単色アレイと図６ｂに示されているような小開口数光センサのうちの他の１つである、２つの並列画像アレイである。これら２つの並列画像アレイは、図６ｄに示されているようにコンバイナに入力される。図６ｅの出力像の素子毎に、図６ｃの高輝度、単色、大開口数アレイの１つの素子が、図６ｂの小開口数アレイの１つのカラー素子と組み合わされる。図６ｂのカラー素子は、単色素子との組合せが出力される前に、業界標準のＢａｙｅｒ復号器（図に示されていない）により復号される。そのため、図６ｅの出力像は、小開口カラー素子および大開口単色素子の組合せである。十分に照明されているシーンでは、カラー素子が優勢であり、図６ｅの出力では高被写界深度カラー画像を生成する。暗いシーンでは、小開口数カラー素子の出力は、減少し、大開口数単色素子が優勢となり、図６ｅの出力において明るい低被写界深度画像を生成する。この点で、小開口数カラー素子と大開口数単色素子との組合せは、人間の目の桿体と錐体の構造を模倣したものである。この実施例ではＢａｙｅｒカラー符号化を使用したが、他のカラー符号化方式を採用するのは容易であることに留意されたい。
【００３１】
図に示されていない他の実施形態では、光センサ素子の開口数は、実質的に均一な厚さのアパーチャマスク層２２を持たせるが、大および小開口数光センサ１６、１８をチップ１０の基板２０の異なるレベルまたは層上に配置させることにより、制御される。
【００３２】
図４Ａを参照すると、像感知チップ１０の構成、および特定の光センサの開口数を決定する際の光センサのサイズとアパーチャマスク層の厚さとの相互関係をよく理解することができる。図４Ａは、図２Ａのイメージセンサチップ１０の部分断面図を示している。これからわかるように、イメージセンサチップ１０は、大および小開口数光センサ１６、１８が配置される基板２０を含む。この実施形態では、大および小開口数光センサ１６、１８は、２種類の異なるサイズを持ち、大開口数光センサ１６は小開口数光センサ１８よりも大きなサイズを持つ。イメージセンサチップ１０は、さらに、アパーチャマスク層２２を含む。アパーチャマスク層２２は、基板２０上に蒸着され、大および小開口数光センサアレイを露光するために従来のフォトリソグラフィ技術を使用してエッチングされる。アパーチャマスク層２２の厚さは、大および小開口数光センサ１６、１８に対する所望の開口数が得られるように光センサ１６、１８のサイズと併せて選択される。
【００３３】
図３Ａは、例えば、行または列などの小開口数ピクセルのうちのいくつか、または本発明の小開口数ピクセルの部分行または部分列から代表的な電気信号を示している。小開口数ピクセルは、高分解能画像信号を生成する。これは、白黒画像信号とすることが可能である。
【００３４】
図３Ｂは、図３ａに示されているのと同じ行もしくは列または部分行もしくは列の対応する大開口数ピクセルからの代表的な電気信号を示している。小開口数ピクセルとは対照的に、大開口数ピクセルは、比較的低い分解能を有する信号を発生する。これは低分解能および異なる振幅形態３Ａのカラー情報とすることが可能である。
【００３５】
図３Ｃは、大開口数ピクセルおよびその対応する小開口数ピクセルからの電気信号が組み合わされた代表的な処理済みの複合信号を示している。処理済み複合信号は、大きな振幅と高い分解能の両方を有する電気信号である。したがって、従来のＣＣＤイメージセンサを使用して取り込まれた像と比べて被写界深度が優れている像を生成する。次いで、処理済みの複合信号は、ハードドライブ、取り外し可能光または磁気媒体などの記憶デバイスに格納しておいて後で表示するか、またはディスプレイに送信して即座に表示することができる。信号処理の当業者には、大開口数ピクセルおよびその関連する小開口数ピクセルからの電気信号を組み合わせて所望の輝度および分解能を持つ像を得るために多くの異なる方法を使用することができることは容易に理解できるであろう。好適な方法は、とりわけ、信号対雑音比減算技術、長尺合成処理アルゴリズム、補間技術、利得バランス調整、および平滑化技術を使用して、大および小開口数光センサからの電気信号を組合せ、それらの信号を処理することにより、レンズを移動したり、開口絞りを変化させる方法の助けを借りずに明るい大きな被写界深度の撮像システムを実現することを含む。これらの技術を使用することは、デジタル画像処理の分野の当業者であればよく理解するであろう。
【００３６】
一態様では、本発明は、第１の複数の感光素子であって、第１の複数の感光素子のそれぞれが第１の受光角を持つ第１の複数の感光素子と、第２の複数の感光素子であって、第２の複数の感光素子のそれぞれが第２の受光開口数を持つ第２の複数の感光素子とを備え、第２の複数の感光素子のそれぞれの感光素子は第１の複数の感光素子のそれぞれの感光素子の近くに配置され、それにより複数の二重感光素子を形成する、第１の受光角が第２の受光角よりも大きい、電子撮像デバイスを含む。
【００３７】
他の態様では、本発明は、複数の光センサであって、それぞれの光センサは、第１の受光開口数を持つ第１の光検出器と、第２の受光開口数を持つ第２の光検出器とを備え、第２の受光開口数が第１の受光開口数よりも小さい、電子撮像デバイスを含む。さらに他の態様では、本発明は、それぞれの光センサが第３の受光開口数を持つ第３の光検出器を備え、第３の受光開口数が第１の受光開口数よりも小さい、電子撮像デバイスを含む。さらに他の態様では、本発明は、それぞれの光センサが第４の受光開口数を持つ第４の光検出器を備え、第４の受光開口数が第１の受光開口数よりも小さい、電子撮像デバイスを含む。他の態様では、本発明は、それぞれの光センサが第５の受光開口数を持つ第５の光検出器を備え、第５の受光開口数が第１の受光開口数よりも小さい、電子撮像デバイスを含む。
【００３８】
さらに他の態様では、本発明は、第１の受光開口数を持つ複数の第１の光センサ素子を備え、複数の第１の光センサ素子のそれぞれはその近くに第２の受光開口数を持つ少なくとも１つの第２の光センサ素子を配置しており、第２の受光開口数が第１の受光開口数よりも小さい、電子撮像デバイスを含む。
【００３９】
他の態様では、本発明は、レンズと、複数の光センサを備えるレンズの焦点面の近くに配置された半導体デバイスと、半導体デバイスと通信するイメージプロセッサであって、複数の光センサが第１の受光開口数を持つ第１の複数の光センサおよび第２の受光開口数を持つ第２の複数の光センサを含む、イメージプロセッサとを備え、第１の複数の光センサはそれぞれ、第２の複数の光センサのうちのそれぞれの近くに配置される、撮像デバイスを含む。
【００４０】
他の態様では、本発明は、焦点面と実質的に平行な第１の平面内に配置された第１の複数の光センサと、第１の平面内に配置された第２の複数の光センサと、第１の複数の光センサの近くに配置されたアパーチャマスクとを備え、アパーチャマスクは第１の複数の開口部と第２の複数の開口部を定め、第１の複数の開口部のそれぞれは、第１の面積を持ち、第２の複数の開口部のそれぞれは、第２の面積を持ち、第１の面積は、第２の面積よりも広く、第１の複数の開口部はそれぞれ、第１の複数の光センサのうちのそれぞれの光センサに関連付けられ、第２の複数の開口部はそれぞれ、第２の複数の光センサのうちのそれぞれの光センサに関連付けられる、焦点面を持つ電子撮像デバイスを含む。さらに他の態様では、本発明は、第２の複数の光センサが第１の複数の光センサと少なくとも同じ数の光センサを備える、電子撮像デバイスを含む。他の態様では、本発明は、第１の複数の光センサのそれぞれの光センサがその近くに第２の複数の光センサの少なくとも１つの光センサを配置し、それにより多重光センサ撮像素子を形成する、電子撮像デバイスを含む。他の態様では、本発明は、多重光センサ撮像素子が第２の複数の光センサのうちの少なくとも２つの光センサを備える、電子撮像デバイスを含む。他の態様では、本発明は、多重光センサ素子が第２の複数の光センサのうちの少なくとも３つの光センサを備える、電子撮像デバイスを含む。他の態様では、本発明は、多重光センサ素子が第２の複数の光センサのうちの少なくとも４つの光センサを備える、電子撮像デバイスを含む。他の態様では、本発明は、第１の複数の光センサのそれぞれの光センサが光センサに入射した光の量に比例して信号を発生し、第１の複数の光センサのそれぞれの光センサが光センサに入射した光の量に比例して信号を発生し、電荷結合素子が、さらに、第１の複数の光センサのうちの選択された光センサからの信号を第２の複数の光センサのうちの選択された光センサからの信号と組み合わせるための制御回路を備える、電子撮像デバイスを含む。
【００４１】
さらに他の態様では、本発明は、ディスプレイと、イメージセンサとその遠位端に配置されたレンズとを備える挿入管であって、イメージセンサはディスプレイと通信し、イメージセンサは電子イメージャを備え、電子イメージャは、複数の光センサであって、それぞれの光センサが第１の受光開口数を持つ第１の光検出器と、第２の受光開口数を持つ第２の光検出器とを備え、第２の受光開口数は、第１の受光開口数よりも小さい、複数の光センサを備える、挿入管とを備えるビデオ検査デバイスを含む。
【００４２】
他の態様では、本発明は、ワイヤレストランシーバと、イメージセンサであって、複数の光センサであって、それぞれの光センサが第１の受光開口数を持つ第１の光検出器と、第２の受光開口数を持つ第２の光検出器とを備え、第２の受光開口数は、第１の受光開口数よりも小さい、複数の光センサを備える、イメージセンサとを備え、第１の光検出器からの電気信号と第２の光検出器からの電気信号が組み合わされ、被写界深度が第１の光検出器の電気信号のみを使用して構成された像の被写界深度よりも大きい像を生成する、電気通信デバイスを含む。
【００４３】
他の態様では、本発明は、イメージセンサであって、複数の光センサであって、それぞれの光センサが第１の受光開口数を持つ第１の光検出器と、第２の受光開口数を持つ第２の光検出器とを備え、第２の受光開口数は、第１の受光開口数よりも小さい、複数の光センサを備える、イメージセンサを備え、第１の光検出器からの電気信号と第２の光検出器からの電気信号が組み合わされ、被写界深度が第１の光検出器の電気信号のみを使用して構成された像の被写界深度よりも大きい像を生成する、デジタルカメラを含む。
【００４４】
さらに他の態様では、本発明は、ベースモジュールと、計算モジュールと、取り外し可能な検査モジュールと、相互接続モジュールと、電源モジュールと、単一表示モジュールおよび制御モジュールと、画像センサであって、第１の複数の感光素子であって、第１の複数の感光素子のそれぞれが第１の受光角を持つ第１の複数の感光素子と、第２の複数の感光素子であって、第２の複数の感光素子のそれぞれが第２の受光開口数を持つ第２の複数の感光素子とを備え、第２の複数の感光素子のそれぞれの感光素子は第１の複数の感光素子のそれぞれの感光素子の近くに配置され、それにより複数の二重感光素子を形成する、第１の受光角は、第２の受光角よりも大きい画像センサとを備える遠隔外観検査デバイスを含む。
均等論等
本発明は、具体的に示され、特定の実施形態を参照しながら説明されているが、当業者であれば付属の請求項により定められている通りに本発明の精神および範囲から逸脱することなく形態および詳細にさまざまな変更を加えることができることを理解するであろう。また、図面の符号に対応する特許請求の範囲中の符号は、単に本願発明の理解をより容易にするために用いられているものであり、本願発明の範囲を狭める意図で用いられたものではない。そして、本願の特許請求の範囲に記載した事項は、明細書に組み込まれ、明細書の記載事項の一部となる。
【図面の簡単な説明】
【００４５】
【図１】本発明によるビデオ検査デバイスの図である。
【図１Ａ】本発明による撮像デバイスの概略図である。
【図１Ｂ】図１Ａの撮像デバイスの他の実施形態の概略図である。
【図１Ｃ】図１Ｂに概略が示されている多素子光センサの拡大部分図である。
【図２Ａ】本発明のイメージセンサチップの一実施形態の拡大部分図である。
【図２Ｂ】本発明のイメージセンサチップの他の実施形態の拡大部分図である。
【図２Ｃ】本発明のイメージセンサチップの他の実施形態の拡大部分図である。
【図２Ｄ】本発明のイメージセンサチップの他の実施形態の拡大部分図である。
【図２Ｅ】本発明のイメージセンサチップの他の実施形態の拡大部分図である。
【図３Ａ】本発明の複数の小開口数光センサから出る信号のグラフである。
【図３Ｂ】信号が図３Ａに示されている小開口数光センサに関連付けられている複数の大開口数光センサから出る信号のグラフである。
【図３Ｃ】図３Ａおよび図３Ｂに示されている信号の組合せの、処理後の、グラフである。３Ａと３Ｂの大きさは、同じである必要はない。
【図４Ａ】本発明によるイメージセンサチップの部分断面図である。
【図４Ｂ】本発明による他のイメージセンサチップの部分断面図である。
【図４Ｃ】本発明のイメージセンサチップの他の実施形態の拡大部分図である。
【図５】本発明のイメージセンサチップの他の実施形態の概念図である。
【図６】本発明のイメージセンサチップの他の実施形態の概念図である。
【符号の説明】
【００４６】
１０  感光チップ
１４  多素子光センサ
１６、１８  多素子光センサ
１６ａ、１６ｂ、１６ｃ、１６ｄ、１６ｅ、１６ｆ、１６ｇ、１６ｈ、１６ｉ、１６ｊ、１６ｋ、１６ｍ、１６ｎ、１６ｐ、１６ｑ  大開口数光センサの第２の２次元グリッド状アレイ
１８ａ、１８ｂ、１８ｃ、１８ｄ、１８ｅ、１８ｆ、１８ｇ、１８ｈ、１８ｉ、１８ｊ、１８ｋ、１８ｍ、１８ｎ、１８ｐ、１８ｑ  小開口数光センサの２次元グリッド状アレイ
２０  基板
２２  アパーチャマスク層
１００  撮像チップ
１００  イメージセンサ
１０２  レンズ
１０３  焦点面
１０４  イメージセンサ
１０８  開口部
２００  ビデオイメージ検査デバイス
２０２  携帯型の輸送／運転用ケース
２０４  デバイス用の電源
２０６  ハンドピース
２０８  ケーブル
２１０  ＬＣＤモニタ
２１２  ジョイスティック制御装置
２１４  挿入管
２１６  ボタンセット
２１８  遠位端
２２０  挿入管
【図１】
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【図１Ａ】
2007221129.tif 000004
【図１Ｂ】
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【図１Ｃ】
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【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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【図２Ｃ】
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【図２Ｄ】
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【図２Ｅ】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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【図３Ｃ】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
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【図４Ｃ】
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【図５】
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【図６】
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