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CN1100437C - 摄象装置及其制造方法、摄象拾音装置、信号处理装置及信号处理方法、以及信息处理装置及信息处理方法 - Google Patents

摄象装置及其制造方法、摄象拾音装置、信号处理装置及信号处理方法、以及信息处理装置及信息处理方法 Download PDF

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CN1100437C
CN1100437C CN96190793A CN96190793A CN1100437C CN 1100437 C CN1100437 C CN 1100437C CN 96190793 A CN96190793 A CN 96190793A CN 96190793 A CN96190793 A CN 96190793A CN 1100437 C CN1100437 C CN 1100437C
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Abstract

这样构成摄象装置：在基板1上装有对由设在托架2上的成象透镜4成象后的光进行光电变换并输出图象信号的CCD裸芯片12。在托架2上设有成象透镜4，其护罩被作成起遮住周围光线的光圈作用、且遮住外界光线的箱2A。在箱2A上设有使来自被摄体的光入射到成象透镜4上用的圆形孔3。托架2安装在上述的基板1上。

Description

摄象装置及其制造方法、摄象拾音装置、信号处理装置 及信号处理方法、以及信息处理装置及信息处理方法
技术领域
本发明涉及摄象装置及其制造方法、摄象拾音装置、信号处理装置及信号处理方法、以及信息处理装置及信息处理方法，尤其涉及能提供使取入图象的例如摄象机等体积小、重量轻、价格低的摄象装置及其制造方法、摄象拾音装置、信号处理装置及信号处理方法、以及信息处理装置及信息处理方法。
背景技术
图1表示现有的摄象机之一例的结构。该摄象机由透镜组件101及摄象机本体111构成。透镜组件101由包括聚焦透镜104的成象透镜102及光圈调节机构103构成。摄象机本体111由光学LPF(低通滤光器)112、图象传感器113及摄象处理电路114构成。
来自入射到成象透镜102的被摄体的光通过光圈调节机构103及光学LPF112后出射到图象传感器113上，于是在图象传感器113的受光面上形成被射体的象。图象传感器113由例如电荷耦合器件(以下宜称CCD)等构成，对在其受光面上接收到的作为被摄体的象的光进行光电变换，将变换结果得到的与被摄体对应的图象信号输出给摄象处理电路114。在摄象处理电路114中，对来自图象传感器113的图象信号进行规定的信号处理，然后记录在例如录象带等记录媒体上，或者输出并显示在例如监视器等上，然后再供给进行规定的处理用的计算机等。
另外，驱动信号被从摄象处理电路114供给到图象传感器113中，图象传感器113根据该驱动信号进行图象信号的输出等规定的处理。光圈调节机构103用来调节在图象传感器113上形成的象的亮度，以及遮住从成象透镜102射出的成象时不需要的边缘光线。聚焦透镜104用来调节在图象传感器113上形成的象的聚焦状态。光学LPF112是一种随着入射到它上面的光的偏振面的不同而有不同的折射率的光学元件，例如由光学各向异性的晶体等构成，用来抑制来自聚焦透镜104的光的空间频率的高通分量，因此能降低在图象传感器113中产生的重影偏差。
可是，在从摄象机将图象输入到例如计算机中或用来监视汽车等情况下，或者在用于电视电话机或电视会议系统等情况下，从摄象机得到的图象远远达不到高质量图象的要求。即，通常即使对图象质量要求不那么高，也要求容易安装和使用的摄象机。
可是，以往如果要使安装和使用容易，制造时就必须进行光学调整，致使制造工序复杂，同时装置体积变大，价格也高。
另外，在现有的摄象机中，为了限制射入图象传感器113中的光的空间频率，如图1所示，必须使用光学LPF112，可是其厚度d必须与图象传感器113中的象素间距成比例。因此，使用象素间距小的图象传感器113时价格就贵，而使用象素间距大的图象传感器113时，就必须设置厚度d大的光学LPF112，使得装置的体积变大。
因此，作为体积较小且价格较低的摄象机，已知有例如图2所示的结构。在该例中，CCD摄象元件403被固定在基板404上。另外，在镜筒402中固定一个成象透镜401，该镜筒402相对于基板404固定。各种零件405安装在基板404的背面。
另外，在图2所示的例中省略了调整光量的调整机构等的结构。
这里的CCD摄象元件403的结构如图3所示。即CCD摄象元件403备有对输入的光进行光电变换的CCD裸芯片403A。该CCD裸芯片403A在其光入射面一侧有只允许R、G、B(包括有互补色时)的规定颜色的波长的光通过的滤色器(未图示)。CCD裸芯片403A被收容在用塑料等制成的盒403B内部，将玻璃盖403C配置在箱403B的上端。
可是，在图2所示的结构例中，从成象透镜401的上端至CCD摄象元件403的上表面的距离约30mm，CCD摄象元件403的厚度为5mm，而且从基板404的上表面至零件405的下端的距离为15mm左右，其总计约50mm。
因此，将图2所示的结构装入例如PC插件等中，就存在不能在便携式个人计算机等中使用的问题。
发明的公开
本发明就是鉴于上述情况而开发的，其目的在于以低价格提供一种安装和使用容易、体积小、重量轻的装置。
本发明的第1方面所述的摄象装置备有带护罩的托架和基板，上述带护罩的托架上设有使光成象的至少一个成象透镜，该护罩起遮住周围光线的光圈作用、且遮住外界光线，上述基板上至少装有对由成象透镜成象后的光进行光电变换并输出图象信号的光电变换元件，该摄象装置的特征在于：带护罩的托架和基板构成一个整体。
第15方面所述的摄象装置的制造方法的特征在于包括以下工序：将对入射的光进行光电变换并输出图象信号的光电变换元件安装到基板上的工序；形成对使光在光电变换元件上成象的一个成象透镜形成遮住周围光线的部分的工序；以及使成象透镜与基板构成一个整体的工序。
第16方面所述的摄象装置备有使光成象的一个成象透镜，以及至少装有对由成象透镜成象后的光进行光电变换并输出图象信号的光电变换元件的基板，该摄象装置的特征在于：当用成象透镜孔径D和焦距f规定的F数为F时，光电变换元件的有效象素的间距被设定成比摄象有效区域的1/(200F)大的值。
第17方面所述的摄象装置的特征在于：备有使光成象的一个成象透镜，以及对由成象透镜成象后的光进行光电变换并输出图象信号的光电变换元件，成象透镜的一部分与光电变换元件直接接触。
第21方面所述的摄象装置的特征在于：备有对入射到受光面上的光进行光电变换并输出图象信号的光电变换元件，以及对由光电变换元件输出的图象信号进行A/D变换的A/D变换器，光电变换元件及A/D变换器组装在一个箱内。
第26方面所述的信号处理装置是对由电荷耦合器件输出的图象信号进行A/D变换后的数字图象数据进行处理的信号处理装置，其特征在于备有：当图象数据是按电荷耦合器件输出图象信号的周期的1/2周期的时钟脉冲定时对图象信号进行了A/D变换的图象数据时，将图象数据延迟1个时钟脉冲的延迟装置；计算图象数据和延迟装置的输出的差分的运算装置；以及将由运算装置输出的差分每隔一个输出一次的输出装置。
第27方面所述的信号处理方法是对由电荷耦合器件输出的图象信号进行A/D变换后的数字图象数据进行处理的信号处理方法，其特征在于包括：当图象数据是按电荷耦合器件输出图象信号的周期的1/2周期的时钟脉冲定时对图象信号进行了A/D变换的图象数据时，将图象数据只延迟1个时钟脉冲的步骤；计算与只延迟了1个时钟脉冲的图象数据的差分的步骤；以及每隔一个输出一次差分的步骤。
第28方面所述的摄象拾音装置的特征在于：备有能随意在信息处理装置上装卸的框体和收容在框体中的摄象装置，摄象装置备有设置了使光成象的一个成象透镜的、起遮住周围光线的光圈作用、且遮住外界光线的带护罩的托架，以及装有对由成象透镜成象后的光进行光电变换并输出图象信号的光电变换元件且与托架构成一体的基板。
第32方面所述的信息处理装置的特征在于：备有取入来自摄象装置的图象信号的取入装置，及处理由取入装置取入的图象信号的处理装置。
第33方面所述的信息处理方法的特征在于：包括取入来自摄象装置的图象信号的步骤，及处理取入的图象信号的步骤。
在第1方面所述的摄象装置中，托架的护罩起遮住周围光线的光圈作用、且遮住外界光线，在它上面设有使光成象的至少一个成象透镜。在基板至少上装有对由成象透镜成象后的光进行光电变换并输出图象信号的光电变换元件。而且该托架和基板构成一个整体。
在第15方面所述的摄象装置的制造方法中，在装有对入射的光进行光电变换并输出图象信号的光电变换元件的基板上，安装着设有使光在光电变换元件上成象的1个成象透镜的且起遮住周围光线的光圈作用、且遮住外界光线的带护罩的托架。
在第16方面所述的摄象装置中，光电变换元件的有效象素的间距被设定成比摄象有效区域的1/(200F)大的值。
在第17方面所述的摄象装置中，使光成象的一个成象透镜的一部分与对由该成象透镜成象后的光进行光电变换并输出图象信号的光电变换元件直接接触。
在第21方面所述的摄象装置中，光电变换元件对入射到受光面上的光进行光电变换并输出图象信号。A/D变换器对由光电变换元件输出的图象信号进行A/D变换。而且，光电变换元件及A/D变换器组装在一个箱内。
在第26方面所述的信号处理装置及第27方面所述的信号处理方法中，将图象数据只延迟1个时钟脉冲，计算图象数据和延迟了1个时钟脉冲的图象数据的差分，每隔一个差分输出一次。
在第28方面所述的摄象拾音装置中，摄象装置被收容在框体中，在摄象装置中，有成象透镜和光圈的托架与装有光电变换元件的基板构成一体。
在第32方面所述的信号处理装置和第33方面所述的信号处理方法中，取入由被收容在框体中的摄象装置的光电变换元件输出的图象信号，并进行处理。
附图的简单说明
图1是现有的摄象机之一例的结构图。
图2是现有的摄象装置的结构例图。
图3是图2中的CCD摄象元件的结构例图。
图4是应用了本发明的摄象装置的一实施例的结构的斜视图。
图5是图4中的摄象装置的平面图。
图6是图5中的摄象装置的A-A’部分的断面图。
图7是图6中的CCD裸芯片12的结构例图。
图8是透镜部10的结构的斜视图。
图9是图6中的Z所示部分的放大图。
图10是图9所示实施例的另一结构例图。
图11是图9所示实施例的又一另一结构例图。
图12是成象透镜4的光学特性及脚部11的尺寸(长度)的说明图。
图13是成象透镜4的空间频率应答特性曲线图。
图14是摄象面的配置位置的说明图。
图15是摄象面的另一配置例图。
图16是使图象达到均匀的范围的说明图。
图17是成象面弯曲的说明图。
图18是CCD裸芯片上的象素的说明图。
图19是成象位置变化的说明图。
图20是焦距和焦点偏移量的关系曲线图。
图21是图4所示摄象装置的制造方法的说明图。
图22是图4所示摄象装置的制造方法的说明图。
图23是托架的形成例图。
图24是托架的另一形成例图。
图25是应用了图4所示摄象装置的摄象机的结构例的框图。
图26是表示从成象透镜4射出的摄象对象以外的光L在脚部11反射后的形态的图。
图27是透镜部的另一结构例图。
图28是摄象装置的另一结构例图。
图29是透镜部的焦距和脚部变化的说明图。
图30是在成象透镜4上形成了不连续面时的例图。
图31是从图30中的实施例的上方看到的结构图。
图32是图30中的实施例的MTF特性曲线图。
图33是成象透镜4上的不连续面的另一形成例图。
图34是CCD裸芯片和透镜部相对于基板的另一组装例图。
图35是表示图34所示实施例的组装工序的图。
图36是图34中的透镜部的结构例图。
图37是图34中的透镜部的另一结构例图。
图38是摄象装置的另一结构例的框图。
图39是摄象装置的另一实施例的结构的斜视图。
图40是图39中的摄象装置的平面图。
图41是图40中的摄象装置的B-B’部分的断面图。
图42是图40中的摄象装置的C-C’部分的断面图。
图43是托架的另一形成例图。
图44是托架的又一个另一形成例图。
图45是托架的另一形成例图。
图46是图42中的实施例的变形例图。
图47是成象透镜的另一结构例图。
图48是应用了本发明的摄象机的结构例的框图。
图49是说明图48中的摄象机的工作情况用的时间图。
图50是CCD裸芯片12的内部结构例图。
图51是PC插件的使用状态的说明图。
图52是PC插件的结构图。
图53是将PC插件装入个人计算机后的状态的示意图。
图54是在个人计算机中利用摄象装置的状态的说明图。
图55是图53中的摄象装置的内部结构例图。
图56是图51中的个人计算机的内部结构例的框图。
实施发明用的最佳形态
以下参照附图说明本发明的实施例。
[第1实施例]
图4是表示应用了本发明的摄象装置的第1实施例的结构的斜视图。该摄象装置通过将托架2安装(嵌合)在基板1上，从而将它们构成一个整体。如后文参照图6所述，在基板1上至少安装着设在托架2上的对由成象透镜4成象后的光进行光电变换并输出图象信号的光电变换元件例如CCD裸芯片12。另外，使光成象的1个成象透镜4设置在托架2上，其护罩由起遮住周围光线的光圈作用、还遮住外界光线的箱2A构成，以便使周围光线不入射到成象透镜4上。在箱2A上设有让来自被摄体的光入射到成象透镜4上用的圆孔(光圈)3。在该实施例中，圆孔3被设在箱2A的上部大致中央的位置，起固定光圈的作用。
其次，图5是图4中的摄象装置的平面图，图6是图5中的A-A’部分(图5中用断面线表示的部分)的断面图。如上所述，在基板1上除了安装着CCD裸芯片12之外，还装有驱动该CCD裸芯片12的驱动器13、对该CCD裸芯片12的输出进行A/D变换的A/D变换器14、以及其它必要的芯片(后文将参照图21详细说明)。CCD裸芯片12被安装在这样的位置，即当托架2被安装在基板1上时，它正对着设在托架2上的孔3。但如果基板1设计上对CCD裸芯片12的安装位置有限制时，可以首先确定CCD裸芯片12的位置，然后将孔3设在相对CCD裸芯片12的位置处。
另外，在基板1的侧面设有引线5，用于将信号输出到外部，或将信号从外部输入(例如，用于由CCD裸芯片12输出后，将进行过规定的处理的图象信号取出，或者向安装在基板1上的各芯片供电等)。在图4中省略了引线5的图示。
装在基板1上的各芯片根据需要可用连接线连接。在图6中只示出了从驱动器13引出的连接线13A，从其它芯片引出的连接线会使图复杂，故将其省略。
图7表示CCD裸芯片12的结构例。在该实施例中，CCD裸芯片12由输出与输入的光对应的电信号的CCD元件(电荷耦合器件)12A和在CCD元件12A上形成的让R、G、B(包括有互补色时)等规定的波长的光通过的滤色器12B构成。但滤色器12B有时可以省略。
将图7所示的CCD裸芯片12和图3所示的CCD摄象元件403加以比较可知，图3所示的由陶瓷或塑料构成的箱403B可以省略。因此，其大小能比图3所示的CCD摄象元件403更小。
成象透镜4与脚部11一起构成透镜部10。这里，图8是表示透镜部10的结构的斜视图。透镜部10由透明材料例如透明塑料(例如PMMA等)构成，在平行平板上设有4个脚，可以说呈桌形。即在平行平板的中心部分形成单片透镜构成的成象透镜4，再在该平行平板的4个角的部位设有沿与成象透镜4的光轴平行的方向延伸的例如其水平断面的形状呈长方形的棱柱形状的4个脚部11。而且，在该4个脚部11各自的下部与成象透镜4的光轴相对的角的部分挖掉一棱柱状的部分，从而形成切口11A。4个角部11各自的4个侧面中的2个侧面(由该2个侧面构成的角的部分)分别与成象透镜4的光轴相对设置。
从CCD裸芯片12的面(摄象面)看到的形状例如是长方形的芯片，4个切口11A分别与CCD裸芯片12的4个角以良好的精度相嵌合。
透镜部10通过例如对塑料进行模制成形构成(因此，成象透镜4是塑料模制单片透镜)，因此，与成象透镜4的象主点对应的透镜部10的各部尺寸的相对精度充分地高。
如图5及图6所示，如上构成的透镜部10位于构成托架2的护罩的呈盖形的箱2A的内侧，钳合在使成象透镜4的光轴通过孔3的中心而与孔3对应的位置。而且，透镜部10的4个脚部11各自的切口11A分别嵌合在CCD裸芯片12的4个角的部分，因此与CCD裸芯片12直接接触。
构成托架2的护罩的箱2A由遮光性的材料例如聚碳酸酯树脂等构成，用同样的遮光性的填充剂(粘接剂)20与基板1粘接，因此基板1和托架2构成一体。
图9是脚部11和CCD裸芯片12的接触部分的断面放大后的放大图(图6中用虚线包围的部分Z的放大图)。如该图所示，脚部11的下端呈从基板1向上抬起若干距离的状态，切口11A的底面和侧面以某一大小的压力直接接触在CCD裸芯片12的受光面(图中用S1表示的部分)及其侧面(图中用S2表示的部分)上(因此，可以说脚部11呈搭在CCD裸芯片12上的状态)。该压力是将托架2嵌合在基板1上后，一边施加规定的压力一边填加填充剂20，将基板1和托架2粘接起来封住而产生的。
托架2与基板1钳合的部分的尺寸比基板1的外形稍大一些，因此基板1和托架2以使脚部11与CCD裸芯片12接触的精度高的形式粘接起来。
如上所述，由于至少装有CCD裸芯片12的基板1和设有成象透镜4的起光圈作用的护罩(箱2A)的托架2构成一体，所以在将摄象装置用于例如电视会议等情况下，不需要进行成象透镜4和CCD裸芯片12之间等的光学调整，因此其组装和使用都容易。其结果是可降低使用这样的摄象装置的装置的制造成本。
如上所述，由于透镜部10的各部的尺寸与成象透镜4的主点的相对精度足够高，同时其脚部11(切口11A)与CCD裸芯片12的受光面直接接触，所以成象透镜4的主点不必为了满足CCD裸芯片12的受光面和规定的位置关系而进行特别调整，就能以优异的精度配置。即，能以低成本、高精度安装成象透镜4。另外，在这种情况下由于不需要用于高精度地安装成象透镜4的调整机构，所以能使摄象装置的体积小、重量轻。
如图10所示，也可以在压在CCD裸芯片12的摄象面上的脚部11的切口11A的面上形成凸起11Aa，通过该凸起11Aa压在CCD裸芯片12上。通过使该凸起11Aa呈半球状或圆筒状，则能使CCD裸芯片12和脚部11之间的接触在理论上呈点或线接触，所以不管CCD裸芯片12或脚部11的精度如何，都能可靠地压在CCD裸芯片12上。
或者如图11所示，也可以在脚部11的切口11A上形成锥面11Ab，用该锥面11Ab压在CCD裸芯片12的上端部边缘上。如果这样制作，则不管CCD裸芯片12的形状的偏差如何，都能可靠地压在CCD裸芯片12上。
其次，参照图12及图13，说明成象透镜4的光学特性和脚部11的尺寸(长度)。如图12A所示，成象透镜4的调焦位置(成象面)f1象虚线所示的那样弯曲。而且CCD裸芯片12的受光面(摄象面)能被配置在成象透镜4的光轴上与成象面f1相切的理想的象面(不弯曲的平坦的面)f2的位置上(按这样的配置关系设定脚部11的长度)。
可是，如果就这样直接在摄象面的中央附近(成象面f1和理想的象面f2相切的点附近)调焦，则离摄象面的中央越远(在图12中，沿上下方向离成象面f1和理想的象面f2相切的点越远)，成象面f1上的调焦位置离开摄象面(理想的象面f2)的散焦量越大。即摄象面上的中央部的图象呈聚焦合适的清晰的图象，但与其相比，周边部分的图象呈所谓成象不实的图象。
因此，能设计出这样的成象透镜4，即在整个摄象面上能获得均匀的散焦量，在成象透镜4的光轴上产生球面象差。因此，如图12A所示，本来(如果不产生球面象差的话)应在成象面f1和理想的象面f2的切点附近聚焦的光变成在例如离该位置较远的位置聚焦。其结果是在摄象面的中央部分也呈若干所谓散焦状态，结果在整个摄象面上能获得大致均匀的聚焦状态的图象。
因此，如图12B及图12D所示，即成象透镜4相对于点光源产生的半光谱幅值即使在CCD裸芯片12的受光面上的中央部(图12B)或在周边部(图12D)都是一定的，而且CCD裸芯片12上的象素间距变得更大。
这里，图12A及图12C分别表示平行光线在CCD裸芯片12的中央部或边缘部的会聚状态，图12B或图12D分别表示在图12A或图12C所示情况下在CCD裸芯片12的受光面上的光的强度(由无限远处的点光源产生的)。在本实施例中，在CCD裸芯片12的中央部或边缘部由点光源产生的半光谱幅值W1及W2几乎都是CCD裸芯片12上的象素间距的2倍(最好为1.8倍至3倍左右)(CCD裸芯片12的受光面上的其它位置也一样)。因此，作为CCD裸芯片12可以采用水平方向上360个象素、垂直方向上480个象素的约17万个象素的低象素数的元件。
这样，由于使点光源产生的半光谱幅值为CCD裸芯片12上的象素间距的2倍，所以成象透镜4的空间频率应答特性如图13所示，具有充分地抑制CCD裸芯片12的奈奎斯特极限空间频率fn以上的入射分量的特性。因此，已用图1说明过，以往为了降低重影失真而需要使用光学LPF112，但在图4所示的摄影装置中，不设置这种光学元件也能降低重影失真。其结果能使装置的体积小、重量轻、成本低。
在图12中，可将近轴光在距成象透镜4的成象面f1(理想的象面f2)规定的距离内向远离成象透镜4的方向调焦，但也可以相反地向靠近成象透镜4的方向调焦。
在本实施例中，使用焦距短的成象透镜4(例如4mm左右)，起光圈作用的孔3作得也小(例如其直径为1.2mm左右)。因此，景深变深，即使至被摄体的距离变化，也能减小模糊程度。在该摄象装置中可以不设所谓的自动调焦机构等，仅这一点就能使装置的体积小、重量轻、成本低。在将摄象装置用于望远时，也可以使用长焦距的成象透镜4及更小的孔3。
将以上的成象面和摄象面的关系总结起来，如图14所示。即成象透镜4的成象面f1相对于理想的象面f2虽然弯曲，但在上述实施例中，将CCD裸芯片12的摄象面203配置在该理想的象面f2上。
可是，如果这样做，则与摄象面203的中央部分相比较，其周边部分的散焦量变大，所以如上所述，在中央部分发生球面象差，从而使摄象面203上的总体图象成为均匀聚焦的图象。
可是在该实施例的情况下，与中央部分相比较，周边部分的散焦量有变得过大的倾向。
因此，如图15所示，例如可将CCD裸芯片12的摄象面203配置在成象透镜4的成象面f1的大致中央(图15中的水平方向的中央)处。如果这样做，则周边部分和中央部分的散焦量虽然方向相反，但其绝对值大致相同。但这时在摄象面203和成象面f1的交点A附近的聚焦状态比在其它位置的聚焦状态好。因此，能将成象透镜4设计成在该点A附近产生较大的象差。如果这样做，则能在整个摄象面203上获得大致均匀聚焦的图象。
其次，根据图15所示的例，更详细地说明在整个摄象面203上获得均匀图象的条件。
如图16所示，现在设CCD裸芯片12的有效象素区域中水平方向的长度(长边的长度)Lh为2.0mm，垂直方向的长度(短边的长度)Lv为1.5mm，其对角线长Ld的长度约为2.5mm。
设成象透镜4的焦距f为4.0mm，则长边方向的视场角可由下式求得，约为28度。
长边方向的视场角＝2×atan[2.0/(2×4.0)]
这里，atan表示反正切函数。
另外，设成象透镜4的焦距f和用孔径D规定的F数(＝f/D)为2.8。
弯曲的成象面f1的半径R等于珀兹伐和P的倒数。即珀兹伐和P可用下式表示。式中n表示成象透镜4的折射率。
P＝∑1/(nf)
在现在的情况下，由于只有一个成象透镜4，所以设折射率n为1.5，则象面201的半径R可由下式求得。
R＝1/P＝n×f＝1.5×4.0＝6.0
如图16所示，现在可认为从有效象素区的中心至对角线长Ld的1/2的70％范围内是均匀的。距该中心为对角线长Ld的1/2的70％的位置Lm可由下式求得。
Lm＝0.7×Ld/2＝0.4375×Lh＝0.875mm
如图17所示，设成象面f1的中心为O，成象透镜4的光轴和理想的象面f2的交点为S，距点S的距离为Lm的理想的象面f2上的点为Q，成象面f1和从理想的象面f2至成象透镜4一侧的距离为Zm的位置的线205的交点为T，线205和光轴的交点为U，这时由点T、O、U构成的角度θ近似地为atan(Lm/R)。因此，当成象面f1的半径为R(点O和T的距离＝点O和S的距离)时，点O和U的距离可由下式求得。
R×cos[atan(Lm/R)]
因此，设R＝0.6mm，Lm＝0.875mm，则理想的象面f2上的距光轴上的点S的距离为Lm(象高为Lm)的点Q的位置处的成象面f1离开理想的象面f2的弯曲量Zm可由下式求得。
Zm＝R×{1-cos[atan(Lm/R)]}＝0.0628mm
现假设将摄象面203配置在成象透镜4一侧距理想的象面f2的距离为Zm/2的位置，则在画面的终端部附近(象高为Lm的位置)和画面的中央部分别产生Zm/2的焦点偏移。由该焦点偏移产生的弥散圆的直径α根据关系式
F＝f/D＝(Zm/2)/α可由下式求得。
α＝(Zm/2)/F＝0.0314/Fmm
由圆孔径产生的MTF可由下式求得。
M(ω)＝{J1[πα(k/Lh)]}/[πα(k/Lh)]
式中J1表示线性第1种奈奎斯特函数，k/Lh表示水平方向的空间频率。因此，k对应于分割水平方向的长度Lh的数。垂直方向的析象特性由电视系统的扫描线决定，所以这里只考虑水平方向。
线性第1种奈奎斯特函数J1最初变成0时的值为3.83，所以下式成立。
πα(k/Lh)＝3.83
因此，由上式求出图13所示的MTF的俘获点fn(＝k/Lh)后，变成下式所示。
(k/Lh)＝3.83/(πα)＝38.8F
因此，k可由下式求得。
k＝38.8×F×Lh＝38.8×2×F＝77.6F
因此，为了确保上述空间频率，必要的最低象素数G可根据抽样定理由下式求得。
G＝2K＝2×77.6F＝155F
上述运算是将成象透镜4的折射率n取作1.5求得的，但如果取更高的值(例如1.9)，则能获得下式。
G＝2k＝200F
即，CCD裸芯片12的有效象素间距比有效区域的长边的1/(200F)大，但成为获得均匀图象的条件。换句话说，这意味着水平方向的有效象素数比200F小。
在图17中，弥散圆的直径α可作为连结成象透镜4的孔径的端部和点T的线与摄象面203的交点之间的距离求得。
因此，如图18中的模式图所示，图6所示的CCD裸芯片12的摄象面上的象素211的间距Pp就是在满足上述条件下形成的。
其次，说明使用1个成象透镜4拍摄从最近距离S至无限大(∞)距离的被摄体、尽量减小成象不实用的焦距f的条件。如图9所示，现假设无限远的被摄体由成象透镜4形成的成象位置和最近距离S处的被摄体由成象透镜4形成的成象位置之间的偏移量为g，则根据成象公式，下式成立。
g×(S-f)＝f2
利用距离S比焦距f充分大这一点，整理上式后得到下式。
g＝f2/(S-f)＝f2/S
在该偏移量g的范围内，为了在总体上减小焦点的偏移量，只要将CCD裸芯片12的摄象面203设定在偏移量g的中点(g/2的位置)即可。
与图16的情况相同，当设摄象元件的画面的长边为Lh、象面曲率半径为R(＝n×f)时，象高为L处的象面弯曲量Z可由下式求得。
Z＝R×(1-R2-L2)1/2
这里，由于L2/R2比1小很多，所以上式能整理成下式。
Z＝R×{1-[1-L2/(2×R2)]}
 ＝L2/(2×R)＝L2/(2×n×f)
由于g/2和Z之间不存在相关关系，所以总的焦点偏移量D的平方可用前两者的平方和表示如下。
D2＝(g/2)2+Z2
  ＝(f2/2×S)2+[L2/(2×n×f)]2
  ＝(f2/4×S2)+L4/(4×n2×f2)
为了求出能使由上式得到的D2为极小值的f，可使上式D2对f求微分后等于0，则得到下式。
f3/S2-L4/(2×n2×f3)＝0
解该式可得到下式。
f＝[(S2×L4)/(2×n2)1/6
即，使由上式给出的焦距f能用成象透镜4得到即可，严格地说，即使不设定在由上式给出的值，也能具有某一幅度。
即，一般来说，图象中重要的是从画面的中心到画面的对角线长度的1/2的十分之7的范围，为了使该范围均匀而不产生模糊，设定象高L为对角线长度的1/2的0.35倍至0.5倍的长度即可。设画面的长宽比为4∶3，则对角线长度的1/2为(5/8)×Lh，所以想高L可设定在如下范围。
0.35×(5/8)×Lh
＝0.219Lh＜L＜0.5×(5/8)×Lh＝0.312Lh
如果考虑到用于电视会议等，上述的最近距离S为200mm至300mm即可。另外，成象透镜4的折射率n为n＝1.4至1.9将这些条件代入上述焦距f的表达式中，整理后得到下式。
1.53×(Lh2/3)＜f＜2.46×Lh2/3
即，如果将一个成象透镜4的焦距f设定在由上式规定的范围内，则能从最近的距离S拍摄位于无限远处的被摄体而不会出现成象不实现象。
图20表示焦距f(横轴)和总的焦点偏移量D的平方的平方根(D2)1/2(纵轴)的计算例。这时，取L＝0.63mm，S＝200mm，n＝1.5。
即，在该例中，可知如果设定焦距f约4mm，则焦点偏移量为最小。
其次，参照图21及图22说明图4和图6所示的摄象装置的制造方法。如图21所示，首先将CCD裸芯片12装到基板1上，根据需要再在它上面安装其它的芯片，根据需要进行电连接。在本实施例中，作为其它芯片是安装驱动器13、A/D变换器14、时标振荡器15、存储器(双通路存储器)16及信号处理电路17。再在基板1设置必要的导线5，根据需要，与装在基板1上的芯片进行导电性连接。
另一方面，如图22所示，采用遮光性材料和透明材料分别模制成形设有孔3的箱2A或透镜部10，将透镜部10钳合在箱2A上的孔3的部位上构成一体，制成托架2。
然后，在使透镜部10的脚部11与CCD裸芯片12接触的状态下，如图6所示，填入填充剂20，将基板1和托架2构成一个整体。
如上所述，在将基板1和托架2构成一个整体时，由于不需要进行特别的调整，所以能容易且成本地廉地制造摄象装置。
在上述情况下，在分别将箱2A或透镜部10模制成形后，通过将它们一体化而制成了托架2，但除此之外，如图23所示，也可以用遮光性材料及透明材料同时模制成形箱2A及透镜部10而制成托架2。另外，如图24所示，这时透镜部10的脚部11可以不用透明性材料而用遮光材料构成。这时能防止光在脚部11处反射，其结果能减少光斑。
图25表示使用图4所示摄象装置的摄象机的电路结构例。来自被摄体的光通过孔3入射到成象透镜4上，成象透镜4将该光成象在CCD裸芯片12的受光面上。CCD裸芯片12根据从驱动器13供给的各种定时信号yv、yh、ys而工作，对由成象透镜4成象的光进行光电变换，将其结果得到的图象信号输出给cds处理电路(相关二重抽样处理电路)21。驱动器13将由时标振荡器15供给的驱动CCD裸芯片12用的定时信号xv、xh、xs经过电平变换、同时进行阻抗变换后作为定时信号yv、yh、ys。然后将其供给CCD裸芯片12，以便驱动CCD裸芯片12。
A/D变换器14根据从时标振荡器15供给的抽样时钟脉冲pa，对来自cds处理电路21的图象信号进行抽样，据此将图象信号作为数字图象数据输出给存储器16及累加器22。A/D变换器14以从外部供给的参考电压vref为基准，决定分配给抽样数据的位。时标振荡器15根据从外部的时钟脉冲发生电路31供给的时钟脉冲，生成各种定时信号。即，时标振荡器15生成使在CCD裸芯片12中产生的电荷分别沿垂直或水平方向传送用的定时信号xv或xh、使在CCD裸芯片12中产生的电荷放电(排出到CCD裸芯片12的基片上)用的定时信号(所谓的快门脉冲)xs、使cds处理电路21工作用的定时信号sh、给出A/D变换器14中的抽样定时用的抽样时钟脉冲pa及给出存储器16中的图象数据的写入定时用的定时信号w。
存储器16是例如可同时读出和写入数据的双通路存储器，根据从时标振荡器15供给的定时信号w，存储来自A/D变换器14的图象数据。由外部的MPU(微处理装置)32读出存储器16中存储的图象数据。MPU32从存储器16中读出图象数据是这样进行的，即MPU32通过地址总线adrs将给定的地址送给存储器16，存储在该地址上的图象数据被输出到数据总线data上，再将其取入MPU32。
cds处理电路21根据从时标振荡器15供给的定时信号sh进行工作，对来自CCD裸芯片12的图象信号进行所谓的相关二重抽样(correlativedoublesampling)处理及其它必要的处理，由此降低(或消除)图象信号中含有的噪音分量后输出给A/D变换器14。
累加器22计算出从A/D变换器14输出的图象数据中与CCD裸芯片12的受光面上的主要部分(例如中心部分等)对应的数据的累计值，输出给时标振荡器15。时标振荡器15控制使在CCD裸芯片12中产生的电荷放电用的定时信号即快门脉冲xs定时，以便使从累加器22供给的累计值偏离给定的规定值不大，用它进行电子性的光圈调整。即如果累计值变大，曝光时间(电荷积蓄时间)缩短，如果累计值变小，曝光时间增长。累加器22按半帧周期(根据情况，也按帧周期)复位。因此，从累加器22输出每半帧(或1帧)的图象数据的累计值。
时钟脉冲发生电路31通过导线5与时标振荡器15连接，发生使摄象机工作用的时钟脉冲，供给时标振荡器15。MPU32通过地址总线adrs或数据总线data和导线5，从摄象装置(存储器16)读出图象数据，进行规定的信号处理。
另外，通过导线5从外部供给各芯片的电源电压Vd、作为接地的规定的基准电压gnd及驱动CCD裸芯片12用的电压Vh。
cds处理电路21及累加器22相当于图21中的信号处理电路17。
其次，说明其工作情况。来自被摄体的光通过起固定光圈作用的孔3，入射到成象透镜4上，该光被成象透镜4成象在CCD裸芯片12的受光面上。
图26示出了从成象透镜4射出的摄象对象以外的光L在脚部11的前侧表面上反射的状态。如上所述，脚部11的两个侧面与成象透镜4的光轴相对，又因其断面呈长方形，所以由其两个面构成的角部的角度a是直角。因此如该图所示，摄象对象以外的光L在脚部11的侧面上反射时，该反射光不到达CCD裸芯片12的受光面上。因此，几乎没有增加因设置脚部11而产生的光斑。
角度a除了直角以外，也可以是锐角。但如果使角度a呈钝角时，在图26中，在脚部11的前侧表面上反射的光紧接着就入射到CCD裸芯片12一侧，所以不好。
采用例如将遮光性涂料涂敷在脚部11上的方法等，也可以使入射到这里的光不到达CCD裸芯片12上。另外，脚部11的断面形状除长方形以外，也可以是正方形或三角形、五角形等。但为了防止增加光斑，脚部11的侧面中至少一个由相邻的侧面构成的角部的角度为直角或锐角，且必须使该角部分与成象透镜4的光轴相对。
回到图25，在CCD裸芯片12中对其所接收的光进行光电变换，并根据来自驱动器13的定时信号，将与该光对应的图象信号输出给cds处理电路21。在cds处理电路21中对来自CCD裸芯片12的图象信号进行相关二重抽样处理后，输出给A/D变换器14。在A/D变换器14中来自cds处理电路21的图象信号被抽样，据此生成数字图象数据，供给累加器22。在累加器22中对来自A/D变换器14的图象数据中的上述规定的数据进行累计，并将该累计值输出给时标振荡器15。时标振荡器15根据来自时钟脉冲发生电路31的时钟脉冲生成各种定时信号，从累加器22供给累计值后，改变快门脉冲xs的发生定时，以使该累计值不偏离给定的规定值过大。
从A/D变换器14输出的图象数据除供给累加器22外，还供给并存储在存储器16中。MPU32在必要时从存储器16读出图象数据，进行规定的处理。
由于在摄象装置的1个外壳内装有进行光电变换并输出图象信号的CCD裸芯片12、对CCD裸芯片12的输出进行A/D变换的A/D变换器14、及存储A/D变换器14的输出的存储器16，所以从MPU32来看摄象装置时，摄象装置与存储器是等效的，因此，不必考虑摄象装置与其外部的部件的同步关系。其结果是，在将摄象装置用于上述那种摄象机或其它装置时，能容易地进行组装和使用。
此外，也可以不使用存储器16，而是配置NTSC编码器等摄象电路，将图象数据变换成NTSC制式的视频信号后输出。
在本实施例中，作为对来自成象透镜4的光进行光电变换的光电变换元件，使用了CCD裸芯片，但除此之外，作为光电变换元件也可以使用将例如CMOS型摄象元件等的充了电的电容器中的电荷作为图象信号读出的破坏性读出型摄象元件的裸芯片。另外，作为光电变换元件还可以使用破坏性读出型摄象元件以外的光电变换器件。使用CCD以外的光电变换元件时，不设置cds处理电路21也可以。
在本实施例中，将存储器16作为双通路存储器，但作为存储器16也可以不用这种双通路存储器而使用通常的存储器。但当存储器16不是双通路存储器时，则必须设有调整由CPU32读出图象数据和由A/D变换器14写入图象数据用的电路。
另外，在本实施例中，使透镜部10的4个脚部11分别与CCD裸芯片12的4个角直接接触，但也可以使该4个脚部11分别与CCD裸芯片12的4个边(图5中带符号▲的部分)接触。但这时由于在脚部11上反射的反射光入射到CCD裸芯片12上而产生光斑，另外，由于难以从CCD裸芯片12引出连接线，所以最好象在本实施例中说明的那样，使脚部11与CCD裸芯片12的4个角接触。
如图27所示，还可以将透镜部10的脚部11作成2个，使图5中带▲的边中相对的两个边保持切口11A。即使在这种情况下，也可以设有图10或图11所示的凸起11Aa或锥面11Ab。
在图6所示的实施例中，虽然将透镜部10和箱2A(托架2)构成了一体，但如图28所示，也可以在两者之间设有间隙。这时，脚部11的下端用填充剂20粘在基板1上。如果这样处理，当从外部对托架2施加压力时，直接传给透镜部10的力小，可抑制透镜部10的破损。在本实施例的情况下，用孔3充当光圈的位置虽然离开了成象透镜4，但对限光效果的影响程度不大，所以在实际使用上几乎没有问题。
可是，一般来说，合成树脂的热膨涨率比玻璃的约大10倍，而且折射率随温度的变化比玻璃的约大100倍。其结果是如果用合成树脂形成成象透镜4，则当温度变化时，焦距也随着变化，若不设调整机构，就难以在温度变化大的情况下使用。因此，在本实施例中，例如采用下述
方法，实际上设置了该调整机构。
即，如图29所示，温度上升时，脚部11的长度L11变长。凸透镜的折射率n和焦距f之间的关系大致如下式所示。
f＝K/[2(n-1)]式中，K是与透镜的球面曲率有关的系数。
因此，如果温度升高，图29所示的成象透镜4的焦距f变化。
现设与单位温度变化对应的折射率的变化为a(/度)、脚部11的线涨系数为b(/度)。通常，树脂透镜的a为负值，其数量级为10-5至10-4，b为正值，其数量级为10-5至10-4。
现假定在常温下，温度上升T(度)时，焦点位置的变化为Δf，焦点位置的变化Δf可用下式表示。
Δf＝K/[2(n-1+a×T)]-R/[2(n-1)]
＝-a×T×K/[2(n-1+a×T)×(n-1)]
＝-a×T×f/(n-1+a×T)
式中R＝2×(n-1)×f
通常，n-1》a×T成立，所以上式可如下表示。
Δf＝-a×T×f/(n-1)
另外，温度上升T时，脚部11的长度L11的增量ΔL可用下式表示。
ΔL＝b×T×L11
因此，实际的焦距面的移动量Δh如下。
Δh＝Δf-ΔL
因此，可以通过设计，使Δh在成象透镜4的焦点深度ΔZ之内，即通过设计，满足下式
|-a×f/(n-1)-b×L11|＜(ΔZ/T)即使温度变化，也能使调焦位置f1位于CCD裸芯片12的受光面上。
在本实施例中，利用透镜的象差等限制入射光象的空间频率，降低在CCD裸芯片12上产生的重影失真。可是，根据摄象机的用途的不同，要求充分抑制在单片彩色摄象机中产生的色干涉条纹。这时，要求彻底地只抑制特定的空间频率，但采用上述本实施例中的这种空间频率限制方法，彻底地只抑制特定的空间频率是困难的。
因此，如图30所示，例如可以采用这样结构的透镜，即沿通过成象透镜4中心的平面将其分为成象透镜4A、4B两部分，在其分割面上，将成象透镜4A相对于成象透镜4B沿水平方向转动一角度θ，形成不连续面4C。从上方看该成象透镜4时，如图31所示。
这时，来自被摄体的光透过上方的成象透镜4A后在CCD裸芯片12上成象的位置和透过下方的成象透镜4B后在CCD裸芯片12上成象的位置沿水平方向相距Q大小的距离。即这时下式成立。
θ＝2×atan(Q/2f)
其结果是，由成象透镜4A、4B产生的MTF如图32所示，空间频率为1/2Q时，其特性迅速下降。
为了获得这样的特性，成象透镜4的不连续面的方向不一定必须沿水平方向，如图33所示，也可以沿垂直方向(图33A)或倾斜方向(图33B)。
在本实施例中，将透镜部10的脚部11直接接触在CCD裸芯片12上，但也可以使其与基板1接触。图34示出了这种情况的例。
即，在图34所示的实施例中，在基板1上形成其形状比CCD裸芯片12大若干的凹部1A。然后用填充剂20将CCD裸芯片12粘接在该凹部1A上，透镜部10的脚部11的切口11A被卡在基板1的凹部1A的角部。然后用填充剂20将脚部11的外周粘接在基板1上。其它结构与图6所示的情况相同。
图35表示将图34所示的实施例中的CCD裸芯片12和透镜部10安装在基板1上用的工序。
即，如图35A所示，首先利用能将IC芯片吸住的吸附式夹具501将CCD裸芯片12的摄象面吸住。然后如图35B所示，预先将填充剂20涂敷在基板1的凹部1A上，如图35C所示，用芯片焊接法将保持在夹具501上的CCD裸芯片12焊接在基板1的凹部1A内。这时基板1的上表面1B和夹具501的表面501A接触，CCD裸芯片12的摄象面被定位在与基板1的上表面1B同一高度的位置。
其次，如图35D所示，将透镜部10的切口11A卡在通过形成基板1上的凹部1A而形成的角部上。然后如图35E所示，将填充剂20填充在脚部11的外周和基板1的上表面之间粘接起来。
在该实施例的情况下，由于将CCD裸芯片12焊接在凹部1A内，所以能将CCD裸芯片12的摄象面的高度准确地定位，但在水平面内(XY平面内)的安装精度有所下降。可是由于能将透镜部10的脚部11配置在离开CCD裸芯片12的摄象面的位置，所以即使有CCD裸芯片12的接合线(图中未示出)时，也容易避开它安装透镜部10。还能减少脚部11的不良反射的影响。
例如还可将透镜部10的脚部11作成图36所示的四面包围的箱形的脚部，能防止灰尘等进入内部。这时如图36所示，能将凸起11Aa设置在脚部11的底面上。或者如图37所示，还可以设计成相对的两个脚部。而且在这种情况下可以在脚部11的底面上形成圆筒状的凸起11Aa。
图38表示图25所示的摄象装置的另一结构例。即，在该实施例中，图25中的时钟脉冲发生电路31被收容在摄象装置的内部，同时设有摄象处理电路511代替存储器16，供给A/D变换器14的输出。而且在摄象处理电路511中生成辉度信号和色差信号或R、G、B信号等。内部还设有编码器，例如可变换成NTSC制式的格式视频数据。其输出被供给FIFO存储器512，暂时存储后按规定的定时读出。由FIFO存储器512读出的数据被输入并串行(P/S)变换器513，并行数据被变换成串行数据后，通过驱动器515从输出端517作为正相数据及反相数据输出。
另一方面，从输入端输入的正相数据及反相数据利用接收器516将同相分量除去后输入调整电路514。调整电路514根据输入的控制数据控制FIFO存储器512，写入来自摄象处理电路511的数据，按规定的定时进行读出控制，同时控制驱动器515，输出来自并串行变换器513的数据。
该驱动器515和接收器516符合IEEE1394中规定的串行总线的标准规格。此外，也可以例如根据USD设计。
这样串行输出数据，并接收输入数据的结构，与输入输出并行数据时相比较，能防止摄象装置大型化。
由A/D变换器14进行的前阶段的工作情况与图25中的情况相同，故其说明从略。
[第2实施例]
图39是应用本发明的摄象装置的第2实施例的结构的斜视图。该摄象装置也与第1实施例的摄象装置一样，通过将托架(箱)52安装(嵌合)在基板51上，将它们构成一个整体。但该摄象装置为了比第1实施例的摄象装置更加小型化、重量轻、价格低，在托架52的上部作为其一部分形成使光成象用的一个成象透镜54(因此，该托架52相当于第1实施例中的透镜部10)，另外，在基板51上只安装对由成象透镜54成象的光进行光电变换并输出图象信号的CCD裸芯片12(图40至图42)。托架52由透明材料(例如透明的塑料(如PMMA等)等)构成，在除成象透镜54的部分之外的护罩部分上形成(镀敷)了能遮住周边光线的起光圈作用的遮光膜61，以便使不那么重要的周边光线不入射到CCD裸芯片12上。CCD裸芯片12与第1实施例的相同。
图40是图39中的摄象装置的平面图，图41及图42分别是图39中的B-B’部分或C-C’部分的断面图。如上所述，在基板51上只装有CCD裸芯片12。另外，CCD裸芯片12安装在这样的位置，即在将托架52安装到基板51上时，恰好使CCD裸芯片12与作为托架52的一部分形成的成象透镜54相对。
在基板51的侧面与基板1一样设有导线55，用于从外部输入信号或从外部输入信号。在图39、图41及图42中未示出导线55。
从安装在基板51上的CCD裸芯片12引出发送和接收信号用的连接线12A，各连接线12A与规定的导线55连接。
如上所述，托架52由透明材料构成，其形状呈其水平方向的断面为长方形的箱形(图41所示的状态是将上下颠倒后的情况)。而且在其底面(摄象装置的上部)的中心部分形成作为单片透镜的成象透镜54，除该成象透镜54所在部分外，包括内侧在内的其它部分都形成了无反射的涂层。即在托架52上涂敷了遮光性的涂料，或者按这样的标准加工，形成了遮光膜61。
如图40所示，引出CCD裸芯片12的连接线12A一侧的边(图40中的垂直方向的边)的长度比没有引出线12A一侧的边(图40中的水平方向的边)的长度要长些。因此，如图41所示，图40中托架52的4个侧面的相对的2组脚部62中在水平方向相对的脚部62之间的距离较短，另外，如图42所示，图40中在垂直方向相对的脚部62之间的距离较长。而且将一侧相对的脚部62的内侧部分挖掉，从而形成切口62A。而且，该切口62A部分被精度良好地嵌合在CCD裸芯片12的纵向两边的部分上。
在本实施例中，例如将透明的塑料通过模压形成托架52(因此，成象透镜54也和成象透镜4一样，是塑料模制单片透镜)，因此，与成象透镜54的主点对应的托架52的各部的尺寸的相对精度充分的高。
托架52的一组相对的脚部62的切口62A部分分别嵌合在CCD裸芯片12的图40中的纵向两边部分，与CCD裸芯片12直接接触。其一组相对的脚部62的长度(图41中的垂直方向的长度)比另一组相对的脚部62的长度(图42中的垂直方向的长度)短一些。因此，一组(图41)相对的脚部62的下端呈离开基板51向上抬起若干的状态，切口62A以某种程度的压力直接接触在CCD裸芯片12的受光面及其侧面上(因此，一组(图41)脚部62呈与CCD裸芯片12接触的状态)。该压力是将托架52嵌合在基板51上之后，一边施加规定的压力一边填加填充剂20，将基板51和托架52粘接固定在一起而产生的。
托架52的另一组(图42)相对的脚部62比一组(图41)相对的脚部62长一些，但当切口62A与CCD裸芯片12的受光面接触后，其下部不接触基板的距离长。因此，基板51和托架52以使一组(图41)相对的脚部62与CCD裸芯片12接触的精度优先的形式粘接起来。
成象透镜54的光学特性及与CCD裸芯片12接触的两个脚部(一组(图41)相对的脚部)62的尺寸(长度)与用图14或图15说明过的情况相同。
如上所述，即使在第2实施例中，安装了CCD裸芯片12的基板51和形成了成象透镜54及起光圈作用的遮光膜61的托架52也构成一体，因此应用摄象装置时，组装及使用容易，能降低制造成本。
托架52的各部分尺寸对成象透镜54的主点的相对精度充分地高，同时其一组(图41)相对的脚部62与CCD裸芯片12的受光面直接接触，所以成象透镜54与第1实施例中的成象透镜4的情况相同，不需要特别调整，就能精确地配置，因此能使摄象装置体积小、重量轻。
另外，由于在托架52上作为其一部分形成了成象透镜54，在基板51上只装有CCD裸芯片12，所以与第1实施例的情况相比较，能进一步使摄象装置的体积小、重量轻、成本低。
另外，如图42所示，由于托架52的另一组相对的脚部62之间的距离比CCD裸芯片12的图40所示的水平方向的长度长，所以连接线12A的连接容易。
其次，说明图39至图42所示的摄象装置的制造方法。首先，将CCD裸芯片12装到基板51上，同时设置导线55，根据需要，将CCD裸芯片12的连接线12A和导线55连接起来。另一方面，用透明材料模制成形带有成象透镜54、脚部62上设有切口62A的托架52后，形成遮光膜61。然后，在使一组相对的脚部62与CCD裸芯片12接触的状态下，如图41及图42所示，通过填加填充剂20，将基板51和托架52构成一个整体。
在将基板51和托架52构成一体时，与第1实施例的情况相同，不需要进行特别调整，所以能容易地且低成本地制造摄象装置。
即使在此情况下，也能用透明材料和遮光性的材料模制成形托架52(成象透镜54)。因此，如图43所示，能用透明材料形成成象透镜54，能用遮光性的材料形成脚部62。
另外，如图44所示，还可以用透明材料包含脚部62形成成象透镜54，在其外周侧和内周侧分别罩上一层外贴片91和内贴片92，形成托架52。该外贴片91和内贴片92分别用遮光性材料对应于成象透镜54的外周侧和内周侧的形状形成。或者也可以用黑涂层代替外贴片91和内贴片92。
此外，如图45所示，也可以例如在将CCD裸芯片12装在基板51上、再将成象透镜54装在基板51上的状态下，用黑色树脂66模制基板51和成象透镜54的外周。
该摄象装置从外部通过导线55输入由图25所示的驱动器13输出的信号进行驱动，其结果是根据需要，同样在外部对通过导线55得到的图象信号进行信号处理。
另外，在第2实施例中，作为对来自成象透镜54的光进行光电变换的光电变换元件，使用了CCD裸芯片12，但在第1实施例中已说明过，作为光电变换元件也可以使用例如破坏性读出型摄象元件或其它类型的。
另外，如图46所示，也可以将图42中的实施例的基板51作得较大，将各种零件67都配置在该基板51上。
另外，如图47所示，作为成象透镜也可以不只是一级结构，还可以构成成象透镜54A(凸透镜)和成象透镜54B(凹透镜)这样的2级结构。当然也可以构成3级以上的结构。
[第3实施例]
图48表示将应用本发明的摄象装置100装入后的摄象机的结构例。图中与图25中对应的部分标以相同的符号。摄象装置100与第1实施例或第2实施例中的摄象装置的结构相同。但基板1(或51)上装有CCD裸芯片12和A/D变换器70。在本实施例中，摄象装置100与第1实施例的结构相同。
A/D变换器70是串行输出型的A/D变换器，它按具有其输出周期(从与某象素对应的图象信号输出后至与下一个象素对应的图象信号输出为止的时间)的1/2周期的抽样时钟脉冲p1的定时，对由CCD裸芯片12输出的图象信号进行A/D变换，以串行数据的形式输出上述变换结果得到的数字图象数据。
A/D变换器70以从外部供给的参考电压vref为基准，确定分配给抽样值的位。
作为A/D变换器70也可以使用以串行数据的形式输出抽样结果得到的图象数据的并行输出型的A/D变换器(这时，不需要后文所述的S/P变换器71)。但作为A/D变换器70使用并行输出型的A/D变换器时，必须设有以并行数据的形式输出的图象数据的位数的导线5，与此不同，在使A/D变换器70为串行输出型的A/D变换器时，为了输出图象数据，只需要1条导线5就够了。因此，使用串行输出型的A/D变换器70，能构成小型的摄象装置100。
S/P(串行/并行)变换器71将由摄象装置100(A/D变换器70)输出的串行的图象数据变换成并行的图象数据，输出给D-FF(延迟型触发器)72及减法电路73。D-FF72根据抽样时钟脉冲p1和具有同一周期的时钟脉冲p2，将来自S/P变换器71的图象数据延迟1个时钟脉冲后输出给减法电路73。减法电路73算出来自S/P变换器71的图象数据和D-FF72的输出之间的差分，将该差分值输出给D-FF74。D-FF74根据具有时钟脉冲p2的2倍周期(与象素的输出周期为同一周期)的时钟脉冲p3，将从减法电路73输出的差分值每隔1个锁存1个，输出给摄象信号处理电路75。
摄象信号处理电路75对D-FF74的输出进行规定的信号处理。
时标振荡器76根据从未图示的时钟脉冲发生电路供给的时钟脉冲生成各种定时信号。即，时标振荡器76与图25中的时标振荡器15一样，生成驱动CCD裸芯片12用的定时信号，供给驱动器13。另外，时标振荡器76生成上述那种周期的时钟脉冲p1、p2、p3，分别供给A/D变换器70、D-FF72、73。另外，时标振荡器76生成S/P变换器71工作用的必要的时钟脉冲，供给S/P变换器71。时标振荡器76输出的各种定时信号互相同步(与来自时钟脉冲发生电路的时钟脉冲同步)。
其次，参照图49中的时间图，说明其工作情况。来自被摄体的光入射到成象透镜4上，该光由成象透镜4成象在CCD裸芯片12的受光面上。在CCD裸芯片12中被接收的光被进行光电变换，与该光对应的图象信号out根据来自驱动器13的定时信号输出给A/D变换器70。图49A示出了由CCD裸芯片12输出的图象信号out。
由CCD裸芯片12输出的图象信号out在A/D变换器70中按具有其输出周期的1/2周期的抽样时钟脉冲p1(图49B)的例如上升边的定时进行A/D变换，其结果得到的数字图象数据sa(图49C)以串行数据形式输出给S/P变换器71。在S/P变换器71中，来自A/D变换器70的串行的图象数据sa被变换成并行的图象数据sb(图49E)，输出给D-FF72及减法电路73。
在S/P变换器71中进行变换处理需要1个时钟脉冲的时间，因此，图象数据sb(图49E)比图象数据sa(图49C)仅慢1个时钟脉冲的时间。
在D-FF72中，按照由时标振荡器76供给的具有与抽样时钟脉冲p1相同周期的时钟脉冲p2(图49D)的例如上升边的定时，将来自S/P变换器71的图象数据sb锁存，因此，只延迟1个时钟脉冲，作为图49F所示的图象数据sc输出给减法电路73。
这里，具有与抽样时钟脉冲p1相同周期的时钟脉冲p2由于具有CCD裸芯片12输出图象信号out的周期的1/2的周期，所以将图象数据sb延迟了时钟脉冲p2的1个周期的图象数据sc的相位也比图象数据sb延迟与CCD裸芯片12的象素间距的一半对应的时间。因此，以下将图象数据sc叫作半象素延迟数据sc为宜。
在减法电路73中，从由S/P变换器71输出的图象数据sb减去由D-FF72输出的半象素延迟数据sc，该相减后的值(差分值)sd(图49G)被输出给D-FF74。在D-FF74中，来自减法电路73的相减后的值sd按照由时标振荡器76供给的具有时钟脉冲p2的2倍的周期的时钟脉冲p3(图49H)的例如上升边的定时进行锁存，因此，图49I所示的图象数据se被输出给摄象信号处理电路75。即，在D-FF74中，来自减法电路73的相减后的值sd每隔1个锁存1个，输出给摄象信号处理电路75。
图50表示CCD裸芯片12的内部结构例(所谓的FDA(FloatingDiffusion Amplifier)部分的结构例)。在CCD裸芯片12的受光面上产生的电荷被充入(蓄积在)电容器C中，因此，从输出缓冲器BUF，与电容器C中蓄积的电荷对应的电压变化作为图象信号输出。然后，开关SW被接通，于是正电压E被加在电容器C上，电容器C放电(放电到基准电压)，此后，开关SW被断开，电容器C处于可用与下一个象素对应的电荷充电的状态。
在CCD裸芯片12中反复进行上述的动作，输出图象信号，但使开关SW通、断时发生热噪声，与该热噪声对应的电压被保持在电容器C中。另外，在输出缓冲器BUF中产生所谓的1/f噪声(起伏噪声)。因此，当开关SW被接通、再被断开后(以下宜将开关SW这样的动作称为复位)，输出缓冲器BUF的输出电平(以下宜将这样复位后的输出缓冲器BUF的输出电平称为预充电电平)达不到规定的基准电平(例如黑电平等)，呈现出受上述这种热噪声及1/f噪声(以下当含有两者时，称噪声分量)的影响的电平。
因此，通常在对CCD裸芯片12的输出进行A/D变换处理等之前，通过进行在第1实施例中说明过的相关二重抽样处理，以获得降低了噪声分量的图象信号。
可是，在使内部装有CCD裸芯片12的摄象装置100尽可能地小型化且作为输出能获得数字图象数据的情况下，由于在摄象装置100内部装有对CCD裸芯片12的输出进行相关二重抽样处理用的如图25所示的cds处理电路21，所以不能满足小型化的要求。
因此，在图48所示的摄象机中，应根据这样的要求，用A/D变换器70将CCD裸芯片12的输出变换成数字图象数据后，如下降低噪声分量。
即，如图49A所示，经过上述处理后，从CCD裸芯片12输出的图象信号out由构成预充电电平的预充电部分(图中虚线所示的部分)和构成与电容器C中的充电电荷对应的电平(信号电平)的信号部分(图中实线所示的部分)构成。而且根据上述噪声分量的发生原理，上述信号与某信号部分中包含的噪声分量和它前面的预充电部分中包含的噪声分量有相关性。即，某信号部分中包含的噪声分量和它前面的预充电电平大致相等。因此，如果从某信号部分的信号电平减去它前面的预充电电平，就能得到该信号部分的真的信号分量。
在D-FF72、减法电路73及D-FF74中，对来自A/D变换器70的图象数据sa进行与上述原理对应的处理，能获得降低了噪声分量的图象数据。
即，如上所述，在A/D变换器70中由于来自CCD裸芯片12的图象信号out按照具有其输出周期的1/2周期的抽样时钟脉冲p1(图49B)的定时进行A/D变换，所以如图49C所示，其结果所得到的数字图象数据sa变成信号电平(vi)和预充电电平(fi)交替排列的状态。在图49C中(在图49E及图49F中也一样)，分别在v或f后面标上数字表示信号电平或预充电电平。另外，在应组成的信号电平及预充电电平(某信号电平和它前面的预充电电平)上也附加同一数字。
而且，输入到减法电路73中的图象数据sb或半象素延迟数据sc分别是将图象数据sa延迟1个时钟脉冲或2个时钟脉冲后的数据，所以变成图49E或图49F所示的形态。另外，在减法电路73中，从图象数据sb减去半象素延迟数据sb后，从该相减后的值sd中应组成的信号电平及预充电电平求得的数据变成降低了噪声分量的图象数据(以下宜称实际图象数据)。即，如图49G中在v’上附加数字所示，相减后的值sd每隔1个出现1个实际图象数据。在图49G中，v’#i(#i为整数)表示v#i-f#i的计算结果，x表示无效数据。
因此，在D-FF74中，由于按照图49H所示的时钟脉冲p3的定时，将相减后的值sd每隔1个锁存1个，所以只将实际图象数据se(图49I)供给摄象信号处理电路75。
如果按照减法电路73中的减法处理方法，会降低有效位数，但通过适当地设定送给A/D变换器70的基准电压vref，就能几乎可以忽视上述的应响。
在摄象信号处理电路75中，如图49J所示，图象数据se被变换成模拟信号后被记录在录象带等上。
如上所述，从摄象装置100以数字形式输出图象数据，因此能容易地将它安装到装置中。
另外，在A/D变换器70中由于按照具有来自CCD裸芯片12的图象信号out的输出周期的1/2周期的的抽样时钟脉冲p1的定时进行A/D变换，所以此后能容易地降低图象数据中含有的噪声分量。其结果是摄象装置100中不需要设置降低这种噪声分量用的电路，能实现输出数字图象数据的小型摄象装置。
[第4实施例]
可以考虑将上述这种摄象装置装入个人计算机中使用。图51表示这种个人计算机的外观结构。即在笔记本式个人计算机240的本体241一侧的上面形成键盘242，在该本体241的侧面形成FD安装部244和PC插件安装部245。根据需要，将PC插件246装入PC插件安装部245，不使用时可以将其取出。LCD243转动自如地支撑在本体241上，用来显示给定的字符、图形等图象信息。
图52表示PC插件246的外观结构。在该实施例中，PC插件246长85.6mm、宽54.0mm、高(厚度)10.5mm。该形状是作为PCMCIA(个人计算机存储插件国际协会)标准3型的插件规定的。
如图53所示，该PC插件246有框体301，滑动构件302相对于该框体301滑动自如地保持着。而且摄象装置100通过支撑构件303转动自如地支撑在该滑动构件302上。当将滑动构件302推进框体301内部时，摄象装置100也被完全收容在框体301的内部。
而且，例如将个人计算机240连接在电话线路等通信线路上，举行电视电话或电视会议时，如图53所示，将PC插件246装入PC插件安装部245中，通过使滑动构件302相对于框体301滑动，将摄象装置100拉到个人计算机240的外部。又如图54所示，以支撑构件303为支点，可使摄象装置100在约60度至90度的范围内转动，将摄象装置100上的孔3(成象透镜4)朝向使用者(被摄体)。
图55表示这样收容在PC插件246的框体301内的摄象装置100的内部结构例、即第4实施例。
该实施例的结构基本上与图6所示的第1实施例相同。但CCD裸芯片12是按照倒装片的安装法被安装在基板1的背面(与成象透镜4相反的一侧)，并使其受光面(摄象面)(图55中的上侧一面)通过在基板1上形成的孔231朝向成象透镜4。在基板1上形成凸起233，用来限制该CCD裸芯片12的安装位置。
成象透镜4安装在基板1的图中所示的上面一侧(与安装CCD裸芯片12的面相反一侧)上。在基板1上形成凸起232，用来限制该成象透镜4的安装位置。利用凸起233的导向作用，将CCD裸芯片12安装在规定的位置，而且利用突起233的导向作用将成象透镜4安装在规定位置，成象透镜4和CCD裸芯片12被配置在通过基板1上的孔231朝向规定的相对位置。
驱动器13和A/D变换器14配置在基板1的上面一侧，其它零件234安装在基板1的下面一侧。
在箱2A的规定位置上形成起光圈作用的孔3，通过填充剂20将该箱2A粘接在基板1上后，通过孔3入射的光入射到成象透镜4上。该光被成象透镜4聚光后，通过基板1上的孔231入射到CCD裸芯片12的受光面(摄象面)上。
在该实施例中，在箱2A和成象透镜4之间设有规定的间隙，当箱2A受外力作用时，该力不会直接传递到成象透镜4上。
在该实施例中，可以设定从箱2A的上端部至成象透镜4的上端部的距离为1.5mm，成象透镜4的厚度为2.0mm，从成象透镜4的下端面至基板1的上表面的距离为4.0mm，基板1的厚度为0.5mm，从基板1的下表面至装在基板1的下面一侧的CCD裸芯片12、零件234等的下端部的距离为1.0mm。特别是通过基板1将CCD裸芯片12安装在成象透镜4和本体一侧，所以能将基板1配置在成象透镜4的焦距内，因此与图6所示的实施例相比较，可以作得更薄。其结果是该实施例的总计厚度为9.0mm。另外，能使该摄象装置100的水平方向的长度和垂直方向的长度为15mm。因此，如图53和图54所示，能将摄象装置100收容在厚为10.5mm的PC插件246的框体301内部。
图56表示个人计算机240的内部电路结构例。CPU311根据ROM312中存储的程序，进行各种处理。RAM313用来存储CPU311进行各种处理时所需要的程序和数据等。
除了键盘242以外，还有PC插件驱动器315、FD驱动器316、调制解调器318分别连接在通过总线与CPU311连接的输入输出接口314上。PC插件246装入后，PC插件驱动器315与PC插件246之间进行各种数据等的发送与接收。软盘(FD)317装入后，FD驱动器316对软盘317进行数据的记录或再生。调制解调器318被连接在电话线路等通信线路上，接收并解调通过通信线路输入的数据，将其输出给CPU311，并调制从CPU311供给的数据，输出到通信线路。
驱动LCD243的LCD驱动器319也连接在输入输出接口314上。由话筒320输入的声音信号经A/D变换器321进行A/D变换后，被取入输入输出接口314。由输入输出接口314输出的声音数据经D/A变换器322进行D/A变换后，从扬声器323输出。
其次，说明其工作情况。例如，在与约定的对方进行电视通话时，使用者将PC插件246装入PC插件安装部245中，从PC插件246拉出摄象装置100，再转动一规定的角度，如图54所示，使其朝向自己。
其次，使用者操作键盘242输入对方的电话号码。CPU311收到该电话号码的输入信息后，通过输入输出接口314控制调制解调器318，进行与该电话号码对应的呼叫动作。
调制解调器318根据CPU311的指令，进行向对方的呼叫动作，当对方响应该呼叫动作时，将该信息通知CPU311。
这时，CPU311通过PC插件驱动器315，控制PC插件246，取入图象信号。
在摄象装置100中，由CCD裸芯片12对通过成象透镜4形成的使用者的图象进行光电变换后，再由A/D变换器70进行A/D变换，然后输出给PC插件驱动器315。PC插件驱动器315将变换成了以PCMCIA标准为依据的格式数据的图象数据，通过输入输出接口314输出给CPU311。CPU311通过输入输出接口314将该图象数据供给调制解调器318，再通过通信线路发送给对方。
另一方面，具有同样装置的对方的图象数据通过通信线路被送来后，调制解调器318接收后对它进行解调，并输出给CPU311。CPU311收到该图象数据的输入信息后，将它输出给LCD驱动器319，显示在LCD243上。于是对方的图象被显示在LCD243上。
另一方面，使用者将与对方谈话的声音信号用话筒320取入，在A/D变换器321中进行A/D变换。调制解调器318在CPU311的控制下，通过通信线路将该声音数据送给对方。
从对方发送的声音数据由调制解调器318进行解调。该解调后的声音数据经D/A变换器322进行D/A变换后，从扬声器323放音。
这样，使用者只要将具有摄象功能的PC插件246装入个人计算机240中，就能简单地进行电视通话。
在以上的实施例中，用1个透镜构成了成象透镜，但如图47所示，成象透镜也可以用多个透镜构成。
如果采用本发明的第1方面所述的摄象装置和第15方面所述的摄象装置的制造方法，将托架和基板一体化，托架的护罩将外界光遮住，同时起遮住周边光线的光圈的作用，托架上还设有1个使光成象的成象透镜，基板上至少装有对由成象透镜成象后的光进行光电变换并输出图象信号的光电变换元件。因此，能使摄象装置体积小、厚度薄、重量轻，其组装和使用也容易。另外，可使用低象素数的光电变换元件。
如果采用第16方面所述的摄象装置，则由于能设定有效象素的间距比摄象有效区域的1/(200F)的值大，所以能实现成本低、厚度薄的摄象装置。
如果采用第17方面所述的摄象装置，则由于使光成象的1个成象透镜的一部分与对由该成象透镜成象后的光进行光电变换并输出图象信号的光电变换元件直接接触，所以不仅能具有与第1方面相同的效果，而且不需要进行成象透镜和光电变换元件之间的光学调整。
如果采用第21方面所述的摄象装置，则光电变换元件和A/D变换器被组装在1个箱内。因此，不仅能具有与第1方面相同的效果，而且能提供输出数字图象数据的小型摄象装置。
如果采用第26方面所述的信号处理装置及第27方面所述的信号处理方法，则当图象数据是按电荷耦合器件输出图象信号的周期的1/2周期的时钟脉冲定时对图象信号进行了A/D变换的图象数据时，将图象数据延迟1个时钟脉冲，算出图象数据和延迟1个时钟脉冲后的图象数据的差分。而且将该差分每隔一个输出一个。因此能降低电荷耦合器件输出的图象信号中含有的噪声分量。
如果采用第28方面所述的摄象拾音装置，则由于将基板和托架构成一体的摄象装置收容在框体内，所以能使体积小、厚度薄、重量轻、而且成本低。
如果采用第32方面所述的信息处理装置及第33方面所述的信息处理方法，则由于取入并处理摄象拾音装置的由摄象装置输出的图象信号，所以在任何场所都能简单地传送图象信号。

Claims (14)

1.一种摄象装置，备有带护罩的托架和基板，上述带护罩的托架上设有使光成象的至少一个成象透镜，该护罩起遮住周围光线的光圈作用、且遮住外界光线，上述基板上至少装有对由上述成象透镜成象后的光进行光电变换并输出图象信号的光电变换元件，
该摄象装置的特征在于：带护罩的托架和基板构成一个整体；
上述成象透镜具有规定的球面象差，且上述光电变换元件配置在离开上述成象透镜的聚焦位置一规定距离的位置，以使上述成象透镜对点光源在上述光电变换元件中的应答的半光谱幅值比上述光电变换元件中的象素间距大。
2.根据权利要求1所述的摄象装置，其特征在于：在上述托架的一部分上形成上述成象透镜。
3.根据权利要求1所述的摄象装置，其特征在于：在上述托架和上述成象透镜之间形成规定的间隙。
4.根据权利要求1所述的摄象装置，其特征在于：上述托架采用模制成形的方法将构成上述成象透镜的透明材料和构成起遮住周边光线的光圈作用的护罩的遮光性材料构成一体。
5.根据权利要求1所述的摄象装置，其特征在于：上述托架在构成上述成象透镜的透明材料上形成遮住周边光线的遮光膜。
6.根据权利要求1所述的摄象装置，其特征在于：上述托架在构成上述成象透镜的透明材料上被覆遮住周边光线的涂层。
7.根据权利要求1所述的摄象装置，其特征在于：上述光电变换元件设置在其摄象面被上述成象透镜造成弯曲了的象面的中途，上述成象透镜在由上述成象透镜造成弯曲了的象面和上述摄象面的交点处能获得规定量的散焦。
8.根据权利要求1所述的摄象装置，其特征在于：上述成象透镜在中心线上有不连续的面。
9.根据权利要求1所述的摄象装置，其特征在于：上述光电变换元件是裸芯片。
10.根据权利要求1所述的摄象装置，其特征在于：上述光电变换元件配置在上述基板上与上述成象透镜所配置的面相反一侧的面上。
11.根据权利要求1所述的摄象装置，其特征在于：
上述成象透镜焦距在5mm以下，
上述光电变换元件的对角线长度在4mm以下，
从光入射侧的上述成象透镜的端部至其相反一侧的端部的厚度在9mm以下。
12.根据权利要求1所述的摄象装置，其特征在于：
上述托架和成象透镜由合成树脂构成，
上述托架有规定上述成象透镜和上述光电变换元件的距离的脚部，
与常温下温度变化对应的上述成象透镜的焦距的变化和上述脚部长度的变化之差在上述成象透镜的焦深的范围内。
13.根据权利要求1所述的摄象装置，其特征在于：上述成象透镜是1个透镜，当设定上述光电变换元件的摄象面的长边的长度为Lh、规定的常数为A、B、C时，其焦距f满足下式
A×Lhc＜f＜B×Lhc
14.一种摄象装置的制造方法，特征在于包括以下工序：
将对入射的光进行光电变换并输出图象信号的光电变换元件安装到基板上的工序；
对使光在上述光电变换元件上成象的一个成象透镜形成遮住周围光线的部分的工序；以及使上述成象透镜与上述基板构成一个整体的工序，
上述成象透镜具有规定的球面象差，且上述光电变换元件配置在离开上述成象透镜的聚焦位置一规定距离的位置，以使上述成象透镜对点光源在上述光电变换元件中的应答的半光谱幅值比上述光电变换元件中的象素间距大。
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