JP2006246154A

JP2006246154A - 撮像素子および撮像装置

Info

Publication number: JP2006246154A
Application number: JP2005060571A
Authority: JP
Inventors: Mitsuru Iwata; 充岩田
Original assignee: Fuji Photo Film Co Ltd
Current assignee: Fujifilm Holdings Corp
Priority date: 2005-03-04
Filing date: 2005-03-04
Publication date: 2006-09-14

Abstract

【課題】焦点距離が変化しても、シェーディング量が低減した高画質な画像を提供できる撮像素子を提供する。
【解決手段】撮像素子10は、受光センサ部12と、受光センサ部12に入射する入射光の光路上に、受光センサ部12に対応して設けられたオンチップ（マイクロ）レンズ14およびカラーフィルタ16を含む。撮像素子10はさらに可変プレート18を含み、可変プレート18は、入射光の受光センサ部12への入射方向に応じて、オンチップレンズ14の位置を変更する。
【選択図】図１

Description

本発明は、射出瞳が変化する電子カメラや携帯電話などの撮像装置において、シェーディング量が低減した画質を提供する撮像素子と、それを有する撮像装置に関するものである。

固体撮像素子は、ビデオカメラ、スチルカメラなどの電子カメラや携帯電話に用いられる。固体撮像素子において、シェーディングと称される現象により、撮像素子内の場所に応じて受光部の感度にばらつきが生ずることが知られている。

シェーディングは、撮像素子の中央部に比べて、周辺部の入射光が斜めに入射することに起因する。斜めに入射すると、遮光膜等によるけられや光電変換効率の悪化が生ずる。したがって、中央部の方が受光量が多くなり、同じ入射光量でも中央の画素の方が、出力信号が大きくなる。よって、中央部の画素と周辺部の画素とで感度のばらつきが生ずる。なお、ここでは、この感度のばらつき（または出力値の差）をシェーディング量と称する。

固体撮像素子の中心部から周辺部に移るにつれて、光の入射角度が大きくなるという特性に対応するため、従来の技術では、マイクロレンズやカラーフィルタを中央方向にずらすという技術があった。たとえば特許文献１では、カラーフィルタを中央方向にずらすことを開示する。このような撮像素子を搭載したカメラにおいては、周辺部でのシェーディング量が低減された画像を提供することができる。

特開２００１−１６０９７３号公報

固体撮像素子を搭載した撮像装置において、光学ズーム機能を持ったレンズを搭載すると、レンズの焦点距離の変化とともに、固体撮像素子の周辺部への光の入射角度が変化する。このようなカメラにおいて、ある入射角度に対応させて、マイクロレンズやカラーフィルタのずらし量を決定すると、焦点距離の変化とともに、光の入射角度が変化し、シェ一デイング量が大きくなってしまうという問題が起こる。

本発明はこのような従来技術の欠点を解消し、焦点距離が変化しても、シェーディング量が低減している高画質な画像を提供できる撮像装置と、それに搭載する撮像素子を提供することを目的とする。

本発明は上述の課題を解決するために、撮像素子が、２次元に配置された複数の受光部と、受光部に入射する入射光の光路上に、受光部に対応して設けられた光学部品と、入射光の受光部への入射方向に応じて、光学部品の少なくとも一部の位置を変更する位置変更手段を含む。

本発明によれば、たとえば、レンズの焦点距離の変化とともに変化する光の入射角度に応じて、撮像素子に含まれる光学部品の光学特性を変化させ、焦点距離が変化してもシェーディング量が低減した高画質な画像を提供できる。光の入射角度に応じて最適なずらし量に変化させることができるため、最適なずらし量を選択することができるからである。

また、本発明においては、位置変更手段は、撮像素子の中心部から周辺部に向かって変化する入射光の受光部への入射角度の変化に応じて、光学部品の位置を変更することが好ましい。

なお、位置変更手段は、撮像素子の前面に置かれた外部の光学系の光学特性の変化に応じて、光学部品の位置を変更することができる。たとえば、外部のレンズの光学特性の変化に応じて、撮像素子は、光学特性を変化させることができる。

また、位置変更手段は、光学部品を変位させるための可変プレートであり、可変プレートは、外部からの駆動信号により制御され、駆動信号により光学部品の位置の移動量が決定されることが好ましい。

本発明において、光学部品は、マイクロレンズであることが好ましい。なお、光学部品は、カラーフィルタであってもよい。

本発明による撮像装置は、上記の特徴を有する撮像素子を含む。この撮像装置によれば、最適なずらし量は、たとえば撮像装置のレンズの光学特性に応じて決定できるため、シェーディング量の少ない画像を常に提供できる。また、ズーム機能付の撮像装置において、焦点距離の変化に追従した高画質画像を提供できる。このように、本発明の撮像装置においては、撮像装置の光学特性に合わせて、上記撮像素子の光学特性を変化させ、最も光学特性の良い条件を作り出すことができる。

次に添付図面を参照して本発明による撮像素子および、この撮像素子を含む電子スチルカメラの実施例を詳細に説明する。図１は、本発明の撮像素子10に含まれる１つの受光部とその周辺部の断面図である。撮像素子10は、２次元に配置された複数の受光部を含むが、図１には、１つの受光部の断面を示す。

図１を参照すると、本発明による撮像素子10の実施例は、受光部である受光センサ部12と、受光センサ部12に入射する入射光の光路上に、受光センサ部12に対応して設けられた光学部品であるオンチップ（マイクロ）レンズ14およびカラーフィルタ16を含む。撮像素子10はさらに可変プレート18を含み、可変プレート18は、入射光の受光センサ部12への入射方向に応じて、オンチップレンズ14の位置を変更する位置変更手段である。

可変プレート18は、本実施例ではオンチップレンズ14を変位させる。可変プレート18は、撮像素子10の外部にある、電子カメラの駆動部からの駆動信号により制御され、駆動信号によりオンチップレンズ14の位置の移動量が決定される。可変プレート18の構造、駆動方法等については、後述する。

受光センサ部12はシリコン基板20内に形成されており、受光センサ部12により、入射光は信号電荷に光電変換され、信号電荷は、受光センサ部12から転送部22に転送される。転送部22は、CCD(Charge Coupled Device: 電荷結合素子)であり、受光センサ部12に隣接してシリコン基板20に形成される。信号電荷は、転送部22に移動した後、転送電極24により転送部22内を順次転送されていく。

受光センサ部12の周囲には、転送部22へ入射光が入ることを防ぐための遮光膜26が、転送部22を覆うように形成されている。受光センサ部12および遮光膜26の上には保護膜28、平坦化層30、カラーフィルタ16、可変プレート18、オンチップレンズ14がこの順に形成されている。

可変プレート18は、撮像素子10の中心部から周辺部に向かって変化する入射光の受光センサ部12への入射角度の変化に応じて、オンチップレンズ14の位置を変更する。すなわち可変プレート18は、撮像素子10の前面に置かれた電子カメラのズームレンズの焦点距離の変化に応じて、オンチップレンズ14の位置を変更する。

図1(a)では、オンチップレンズ14の位置は移動していない。図1(b)は、入射光32の入射角度が深い場合のオンチップレンズ14と可変プレート18の位置を示す。入射角度が深いとは、入射光32と、受光面の法線方向との成す角度が大きいことをいう。入射角度が浅いとは、この角度が小さいことをいう。可変プレート18により、オンチップレンズ14は、最適な移動量34だけ、撮像素子10の中心方向にずらされている。

図1(c)は、入射光36の入射角度が浅い場合のオンチップレンズ14と可変プレート18の位置を示す。可変プレート18により、オンチップレンズ14は、最適な移動量38だけ、撮像素子10の中心方向にずらされている。入射角度が浅いため、移動量38は、入射角度が深いときの移動量34より小さい。

図1(b)および図1(c)に示すように、入射角度に応じて、オンチップレンズ14を移動させるため、入射光32, 36が、遮光膜26によってけられることがなく、受光センサ部12に適切に入射している。

図1(b)および図1(c)は、同一の受光センサ部12について、入射角度に応じて、どの程度移動させるかを示すものである。次に、撮像素子10の中心部にある受光センサ部12と、周辺部にある受光センサ部12で、オンチップレンズ14の移動量をどのように変えるかを図２により説明する。

図2(a)は、射出瞳が短い状態(入射光32の入射角度が深い)のズームレンズ（図示せず）、または射出瞳が短い状態の固定レンズ（図示せず）を搭載した電子カメラのオンチップレンズ14の移動後の位置を示す。可変プレート18を使ってオンチップレンズ14をずらし、レンズの射出瞳に最適なずらし位置に移動させてある。オンチップレンズ14a, 14b, 14cの順に、中心部から周辺部に配置されており、入射光32a, 32b, 32cの順に入射角度が深くなっている。そのため、オンチップレンズ14a, 14b, 14cの順に、移動量が大きい。

図2(b)は、射出瞳が長い状態(入射光32の入射角度が浅い)のズームレンズ（図示せず）、または射出瞳が短い状態の固定レンズ（図示せず）を搭載した電子カメラのオンチップレンズ14の移動後の位置を示す。可変プレート18を使ってオンチップレンズ14をずらし、レンズの射出瞳に最適なずらし位置に移動させてある。オンチップレンズ14a, 14b, 14cの順に、中心部から周辺部に配置されており、図2(a)と同様に、入射光32a, 32b, 32cの順に入射角度が深くなっている。そのため、オンチップレンズ14a, 14b, 14cの順に、移動量が大きい。

ただし、図2(a)と図2(b)を比較すると、図2(a)の方が入射光32の入射角度が深いため、図2(a)の方が、オンチップレンズ14a, 14b, 14cの移動量が大きい。

本実施例の効果を示すために、図３に比較例を示す。図３は、可変プレートを有さず、オンチップレンズ14の位置が固定されているものを示す。なお、以下の図において、図１と同様のものについては、同一の参照符号を付す。

図3(a)は、オンチップレンズ40aの位置が、受光センサ部12に対して移動されていない場合である。このとき、入射角度が深い入射光32が入射すると、入射光32が、遮光膜26によってけられるという問題がある。

そこで、図3(b)に示すように、入射角度が深い入射光32に対応した位置に、オンチップレンズ40bを固定すると、入射光32が、遮光膜26によってけられることはなくなる。

しかし、図3(c)に示すように、入射角度が浅い入射光36が入射すると、入射光36が、遮光膜26によってけられるという問題が再び発生する。一方、本発明の場合、入射角度の変化に応じて、オンチップレンズ14を移動させるため、このような問題が生じない。

次に、可変プレート18について説明する。図４は、可変プレート18の平面図であり、可変プレート18を、電子カメラのレンズ側から、すなわち図１のＡ方向に見たものである。図4(a), 4(b), 4(c)は、それぞれ、図1(a), 1(b), 1(c)に対応する。

可変プレート18は、本実施例では圧電素子からなる１枚の板であり、オンチップレンズ14が搭載される位置に、穴42が設けられている。可変プレート18の中心44は、撮像素子10の中心と一致しており、可変プレート18の中心44に向かって、可変プレート18の各部は、近づいたり、離れたりする。可変プレート18の中心44は、移動しない。

図4(a)では、穴42は等間隔に配置しており、オンチップレンズ14の位置に移動はない。図4(b), 4(c)では、可変プレート18の中心44に向かって、可変プレート18の各部は、近づいており、図4(b)では、図4(c)よりも可変プレート18の各部は、中心に近づいている。

可変プレート18の全体構造を図５に示す。図５は、可変プレート18の平面図であり、図４と同様に、可変プレート18を、電子カメラのレンズ側から、すなわち図１のＡ方向に見たものである。可変プレート18は圧電素子であり、図5(a)は、圧電素子を、圧電素子の中心に向かって、伸び縮みさせるための電極を、中心44と、四隅46に配置した例である。

中心44の電極を接地し、四隅46の電極にたとえば+10Vを印加する。このときの等電位線48は、同心円に近い形状になり、各オンチップレンズ14を、たとえば、1μm程度、中心に向かって移動させることができる。等電位線48が同心円状であるため、移動量は、周辺部ほど大きくなる。等電位線48のところの移動量が、1μm程度であるとすると、四隅46のところの移動量は、2μm程度である。

レンズの焦点距離の変化に応じて、四隅46の電極に印加する電圧を変える。印加する電圧が大きくなるほど、可変プレート18の移動量は大きくなり、撮像素子10の中心部に向かって移動する。なお、四隅46に電極を配置する代わりに、４辺47の一部または全部に電極を配置してもよい。

図5(b)は、圧電素子を、圧電素子の中心に向かって、伸び縮みさせるための電極を、中心44と、中心44に対して同心円を形成する位置50, 52に配置した例である。中心44の電極を接地し、位置50の同心円上にある電極に、たとえば+5Vを印加し、位置52の同心円上にある電極に、+10Vを印加する。この場合も、等電位線は、ほぼ同心円状になり、各オンチップレンズ14を、たとえば、1μm程度、中心に向かって移動させることができる。また、等電位線が同心円状であるため、周辺部ほど、移動量が大きくなる。

図5(a), 5(b)において、電極は、圧電素子の表面に貼り付ける、もしくは、圧電素子に埋め込むことができる。

本実施例の撮像素子10を有する電子スチルカメラ54を図６に示す。図６においては、本発明に直接関係のない部分については示していない。光学系56の光学特性の変化に応じて、撮像素子10内のオンチップレンズ14の位置を変更するために、撮像素子10内の可変プレート18を、駆動部58からの駆動信号58aにより制御する。駆動信号58aにより可変プレート18の位置の移動量、すなわちオンチップレンズ14の位置の移動量が決定する。光学系56は、たとえば、ズームレンズや絞り、およびズームレンズや絞りを駆動する駆動系を含む。

電子カメラ54では、撮像素子10からの信号電荷10aを信号処理部60で処理する。また、システム制御部62は、光学系56から、ズームレンズの位置や絞りの状態についての情報を信号56aとして受け取る。

信号56aに基づいてズームレンズの位置を知ると、システム制御部62は、位置に対応した可変プレート18の移動量を、レンズの位置と可変プレート18の移動量との対応表から決定する。レンズの位置が決まると、焦点距離が決まり、可変プレート18の移動量が、事前に計算または実験により決定できるからである。システム制御部62は、この対応表を、内蔵するメモリ（図示せず）に記憶している。

決定された移動量を、信号62aとして駆動部58に出力する。駆動部58は、信号62aに従って、駆動信号58aを出力し、撮像素子10内の可変プレート18の位置を制御する。こうして、最適な移動量になるように可変プレート18は移動させられる。

なお、光学系56からレンズの位置に関する情報のみではなく、絞りの状態についての情報も受け取って、可変プレート18の位置を決定してもよい。絞りの状態によっても、入射光の角度は変わりうるからである。

本実施例では、ズームレンズを例にして説明したが、本発明は、撮像素子の前面に置かれた光学系の光学特性が変化する撮像装置であれば、他の撮像装置にも適用できる。たとえば、一眼レフカメラのように、レンズを取り替えるカメラにも適用できる。

このように、本発明によれば、焦点距離が変化しても、シェーディング量が低減した高画質な画像を提供できる。

本発明の撮像素子の実施例を示す断面図である。本発明の撮像素子の中心部と周辺部での可変プレートの位置を示す断面図である。比較例の撮像素子を示す断面図である。本発明の撮像素子の実施例を示す平面図である。可変プレートの全体を示す平面図である。本発明の電子カメラの実施例を示すブロック図である。

符号の説明

10 撮像素子
12 受光センサ部
14 オンチップレンズ
16 カラーフィルタ
18, 18a, 18b 可変プレート
26 遮光膜
32, 36 入射光
34, 38 移動量
54 電子スチルカメラ
56 光学系
58 駆動部

Claims

２次元に配置された複数の受光部と、
該受光部に入射する入射光の光路上に、該受光部に対応して設けられた光学部品と、
前記入射光の前記受光部への入射方向に応じて、前記光学部品の少なくとも一部の位置を変更する位置変更手段とを含むことを特徴とする撮像素子。
請求項１に記載の撮像素子において、前記位置変更手段は、該撮像素子の中心部から周辺部に向かって変化する前記入射光の前記受光部への入射角度の変化に応じて前記光学部品の位置を変更することを特徴とする撮像素子。
請求項１に記載の撮像素子において、前記位置変更手段は、該撮像素子の前面に置かれた外部の光学系の光学特性の変化に応じて、前記光学部品の位置を変更することを特徴とする撮像素子。
請求項１から３までのいずれかに記載の撮像素子において、前記位置変更手段は、前記光学部品を変位させるための可変プレートであり、該可変プレートは、外部からの駆動信号により制御され、該駆動信号により前記光学部品の位置の移動量が決定されることを特徴とする撮像素子。
請求項１から４までのいずれかに記載の撮像素子において、前記光学部品は、マイクロレンズであることを特徴とする撮像素子。
請求項１から５までのいずれかに記載の撮像素子を含むことを特徴とする撮像装置。