JP2007027249A - 撮像素子および撮像装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 画像情報が光学的に解像度劣化することなく、感度調整を行うことができる撮像素子および撮像装置を提供する。
【解決手段】 各画素の受光部１と、配線もしくは回路部を含む受光部以外２とを覆うように１画素単位で帯電粒子泳動層３が設けられている。帯電粒子泳動層３には、光透過性および絶縁性を有する泳動液と、遮光性を有する帯電粒子とが封入されている。帯電粒子泳動層３は一対の泳動電極４ａおよび４ｂに接続されている。画像情報の解像度の最小単位は１画素であり、１画素未満に画像情報の解像度が劣化することはないので、画像情報が光学的に解像度劣化することなく、感度調整を行うことができる。
【選択図】 図２

Description

本発明は、帯電粒子泳動層と、帯電粒子泳動層に接した泳動電極とを有する撮像素子および撮像装置に関する。

帯電粒子が封入された帯電粒子泳動層と、帯電粒子泳動層に接した泳動電極とを有し、泳動電極に印加する電圧を制御することによって、帯電粒子の移動を制御し、入射する光量を制御する撮像素子が提案されている。例えば、特許文献１には、不透明な電気泳動粒子を含む電気泳動素子を形成し、レンズや撮像素子の光軸に入れることによって、この粒子の遮光効果を利用して、撮像素子などに入る光量を電気的に調節する機能を持たせることで、ダイナミックレンジの大きな撮像装置を得ることができると記載されている。

一方、光量を調整する技術として、特許文献２には、銀塩溶液からＩＴＯ透明電極上への銀の析出を利用して光の透過率を制御する光学フィルターの対極の材料コストを低減するとともに、銀塩溶液を汚して素子の透明度を低下させ、また、電極間の短絡の原因にもなる不活性な銀粒子が対極上に析出することを防止することが記載されている。
特開２００４−６１８３３号公報 特開平１０−２７４７９０号公報

特許文献１および特許文献２では、光透過性のある泳動液と、遮光性のある帯電粒子とによる光の回析現象については触れられておらず、特許文献１および特許文献２に開示されている全図面では、光透過性のある泳動液と、遮光性のある帯電粒子と、撮像素子の受光部との配置について触れられていない。よって、特許文献１および特許文献２では、画像情報の光学的な解像度劣化が懸念されるべきである。

図１０は、従来方式での、＋に帯電した微小粒子による撮像素子の感度調整のイメージを示している。図１０に示されるように、帯電粒子泳動層１１内には、遮光性を有し、＋に帯電した微小粒子１３が封入されている。帯電粒子泳動層１１には一対の泳動電極１２ａおよび１２ｂが接続されている。泳動電極１２ａに−、泳動電極１２ｂに＋の電圧が印加されると、微小粒子１３が泳動電極１２ａ側に移動して、入射光の一部が遮光される。従来においては、複数の画素にわたって１つの帯電粒子泳動層が配置されており、＋に帯電した微小粒子による光の回折現象が発生するため、入射光に対する遮光性質は機能するものの、複数の画素に入射光が届くまでに、光学的画像情報の解像度劣化が発生してしまうという問題があった。

本発明は、上述した問題点に鑑みてなされたものであって、画像情報が光学的に解像度劣化することなく、感度調整を行うことができる撮像素子および撮像装置を提供することを目的とする。

本発明は、上記の課題を解決するためになされたもので、請求項１に記載の発明は、入射した光を光電変換して光学像を画像信号として出力する撮像素子において、
各画素の受光部と、配線もしくは回路部とを覆うように１画素単位で設けられた帯電粒子泳動層と、前記帯電粒子泳動層に封入された、光透過性および絶縁性を有する泳動液と、前記帯電粒子泳動層に封入された、遮光性を有する帯電粒子と、前記帯電粒子泳動層に接した泳動電極とを設けたことを特徴とする撮像素子である。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の撮像素子において、前記帯電粒子泳動層は、１画素単位に複数の独立した泳動層を有しており、各々の前記泳動層には、前記泳動液および前記帯電粒子が封入されているとともに、一対の独立した泳動電極が接していることを特徴とする。

請求項３に記載の発明は、請求項１または請求項２に記載の撮像素子において、前記受光部からの出力信号レベルを非破壊で検波する信号レベル検波器と、前記信号レベル検波器により検波された出力信号レベルを用いて前記泳動電極を制御する帯電粒子制御回路とをさらに有することを特徴とする。

請求項４に記載の発明は、複数色のカラーフィルターを搭載した請求項１に記載の撮像素子と、各色の前記カラーフィルター毎に、前記泳動電極を制御するための信号を伝送する泳動電極制御用信号線が配線され、前記泳動電極制御用信号線が接続され、前記泳動電極を制御する帯電粒子制御回路を有し、ホワイトバランス機能を持つことを特徴とする撮像装置である。

本発明によれば、画像情報の解像度の最小単位は１画素であり、１画素未満に画像情報の解像度が劣化することはないので、画像情報が光学的に解像度劣化することなく、感度調整を行うことができるという効果が得られる。

以下、図面を参照し、本発明の実施形態を説明する。図１は、本発明の第１の実施形態によるＸ−Ｙアドレス型撮像素子の、上面から見た構造（１画素）を示している。図１において、光が入射する位置に設けられた受光部１は、例えばフォトダイオードであり、入射した光を光電変換して光学像を信号電荷に変換する。各画素からの信号電荷は画像信号として外部に出力される。受光部１に隣接して、回路部２１および配線２２が設けられている。回路部２１は、信号電荷の転送回路を構成する例えばトランジスタである。配線２２は回路部２１へ駆動信号を供給するためのものである。撮像素子は、図１のように受光部面積比が１００％でないＸ−Ｙアドレス型撮像素子であることが望ましい。

図２は、本実施形態による撮像素子の、側面から見た断面構造（１画素）を示している。図２において、受光部１と隣接した受光部以外２は図１の回路部２１および配線２２の少なくとも一方を含んでいる。受光部１および受光部以外２を覆うように１画素単位で帯電粒子泳動層３が設けられている。帯電粒子泳動層３は、光透過性および絶縁性を有する泳動液と、遮光性を有する帯電粒子とをラミネート状にしたものである。泳動液として、例えばイソパラフィンやシリコーンオイル等を使用することができる。また、帯電粒子として、例えば銀やカーボン等を使用することができる。

帯電粒子泳動層３は一対の泳動電極４ａおよび４ｂに接続されている。泳動電極４ａおよび４ｂには、帯電粒子を制御するための電圧が印加される。レンズオンチップ５は、受光部１より広い面積から集光するための超小型レンズである。

次に、図３〜図５を参照しながら、本実施形態による撮像素子の動作を説明する。図３は通常モードでの動作時の撮像素子の状態を示している。図３も、図２と同様に側面から見た撮像素子の断面構造（１画素）を示している。図３の泳動電極４ａには＋の電圧が印加され、泳動電極４ｂには−の電圧が印加されている。＋に帯電した微小粒子６は、泳動電極４ｂに引き寄せられるため、微小粒子６は受光部以外２の上に配置されることになり、受光部１に対して遮光性を有しない。

図４は低感度モードでの動作時の撮像素子の状態を示している。図４も、図２と同様に側面から見た撮像素子の断面構造（１画素）を示している。図４においては、図３の場合とは逆に、泳動電極４ａに−の電圧が印加され、泳動電極４ｂに＋の電圧が印加されている。＋に帯電した微小粒子６は泳動電極４ａに引き寄せられるため、受光部１の上に配置されることになり、受光部１に対して遮光性を有する。入射光を遮光する分だけ受光部１の感度が下がる原理がある。この原理を利用して感度調整をすることが可能であり、ダイナミックレンジの大きな撮像素子を提供することができる。

図５は中低感度モードでの動作時の撮像素子の状態を示している。図５も、図２と同様に側面から見た撮像素子の断面構造（１画素）を示している。図５においては、泳動電極４ａおよび４ｂのいずれにも−の電圧が印加されている。＋に帯電した微小粒子６は両側の泳動電極４ａおよび４ｂから引き寄せられるため、受光部１と受光部以外２との上に拡散して配置されることになり、受光部１に対して遮光性を有する。入射光を遮光する分だけ受光部の感度が下がる原理があるので、図５での受光部１の感度は、図３の通常モードと図４の低感度モードとの間の特性を有することになる。例えば、図５の中低感度モードでは、＋に帯電した微小粒子６は受光部１と受光部以外２とで半々に分かれているため、受光部１の感度も図３の通常モードと図４の低感度モードとの中間的な感度となる。

上述したように、本実施形態による撮像素子には、各画素の受光部１と、配線２２もしくは回路部２１とを覆うように１画素単位で帯電粒子泳動層３が設けられており、１画素単位で微小粒子６の配置が制御される。このため、画像情報の解像度の最小単位は１画素であるので、１画素未満に画像情報の解像度が劣化することはない。したがって、画像情報が光学的に解像度劣化することなく、感度調整を行うことができる。

次に、本発明の第２の実施形態を説明する。図６は、本実施形態によるＸ−Ｙアドレス型撮像素子の、上面から見た構造（１画素）を示している。上下に重なったレイヤー（レイヤーＡおよびＢ）毎に展開して構造が示されている。図６において帯電粒子泳動層は、１画素単位に複数の独立した泳動層（電気泳動層３１〜３４）を有している。また、各泳動層に対して一対の独立した泳動電極（泳動電極４１ａおよび４１ｂ、４２ａおよび４２ｂ、４３ａおよび４３ｂ、４４ａおよび４４ｂ）が設けられている。

図５に示される中低感度モードでは、画素ピッチと、微小粒子６および泳動液の材質および形状とによっては、微小粒子６がうまく拡散しないことがある。つまり、マイナス電極となっている両側の泳動電極４ａおよび４ｂに対して、微小粒子６が偏って配置されてしまう場合がある。

そこで、図６に示されるレール方式のように、１画素の中に複数のレール（電気泳動層３１〜３４）を敷いて、各レールに帯電粒子を配置することによって、図５よりも中低感度モードを制御しやすくすることが可能となる。例えば、図６のように４レールある場合では、１画素に１つの帯電粒子泳動層３を設置した場合よりも、中低感度モードに感度の分解能を増やすことができる。

図６に示される各レール間の境界による光学的な回折ボケは１画素の中に吸収されるため、画像の解像度劣化とならない。つまり、画像情報の解像度の最小単位は１画素であるので、第１の実施形態と同様に、１画素未満に画像情報の解像度が劣化することはない。なお、各レールの配置の形態は、図６に示される形態に限定されず、撮像素子に対して横方向に隣接して各レールが配置される形態でなくてもよく、縦でも斜めでもブロック状でもよい。また、各レールに配置する帯電粒子（微小粒子６）の数は１個に限定されず、複数個としてもよい。

次に、本発明の第３の実施形態を説明する。本実施形態による撮像素子内では帯電粒子の自動制御が行われる。図７は、本実施形態による撮像素子の構成を示している。図７において、受光部１からの出力信号レベルは、帯電粒子制御回路７に入力される。この帯電粒子制御回路７は信号レベル検波器を有しており、信号レベル検波器によって検出（検波）された出力信号レベルに基づいて、泳動電極４ａおよび４ｂに印加される電圧を制御する。なお、この信号レベル検波器は、受光部１にある映像信号電荷を非破壊で検波することができる。

受光部１からの出力信号レベルが任意の一定量を越えると、帯電粒子制御回路７は泳動電極４ａおよび４ｂに印加される電圧を制御し、＋に帯電した微小粒子を受光部１上に配置させることによって、入射光量を制御する。泳動電極４ａおよび４ｂの状態については、設定されたダイナミックレンジ情報として後段の撮像装置に電極情報として出力する場合と、Pre-KNEE特性として取り扱うことで後段の撮像装置に電極情報を出力しない場合とがある。いずれの場合も、入射光量制御装置としては撮像素子内で完結することが可能である。

図８は帯電粒子制御回路７の一例を示している。映像情報である入射光がフォトダイオードＤ１に入射し、コンデンサＣ１に映像信号電荷として蓄積される。この映像信号電荷は、増幅器ＴＲ１によって電圧信号に変換された後、コンパレータＣＭＰ１（信号レベル検波器）に入力され、基準電圧Ｒｅｆ１と電圧比較される。基準電圧Ｒｅｆ１は帯電粒子制御判別用のスレッショルドレベルの役割を有している。この基準電圧Ｒｅｆ１を調整することで帯電粒子の制御を調整でき、つまりは撮像素子の感度調整を行うことができる。

増幅器ＴＲ１で得られる電圧信号が基準電圧Ｒｅｆ１より高い場合には、入射光量過大と判別される。この場合には、例えば図８の泳動電極端子Ｔ１に−（マイナス）電圧が出力され、図７の泳動電極４ａが−（マイナス）となり、泳動電極４ｂが＋となる。帯電粒子泳動層３の中の＋に帯電した微小粒子６は、−（マイナス）となった泳動電極４ａに引き寄せられ、微小粒子６の遮光性により入射光量が制限される。撮像素子の感度調整ができるということは、撮像素子のダイナミックレンジが調整できるということであり、ダイナミックレンジの大きな撮像素子を提供することができるということである。

次に、本発明の第４の実施形態を説明する。本実施形態は、上述した各実施形態による撮像素子を用いたホワイトバランスへの応用である。図９は、本実施形態によるホワイトバランス機能を持つ撮像装置の構成を示している。図９は実施の一例ではあるが、帯電粒子制御回路７を撮像素子側ではなく、撮像装置本体側に搭載した例である。本実施形態では、ＲＧＢ単板となる３原色カラーフィルターを有し、２×４配列で構成された８画素の撮像素子１０をモデルとする。

本実施形態においては、各チャンネルの泳動電極を制御するための泳動電極制御用信号の伝送に用いられる配線が撮像素子側に要求される。各チャンネルの泳動電極制御用信号はＲ，Ｇ，Ｂの３種類用意されており、撮像装置の一部である帯電粒子制御回路７からそれぞれＲ，Ｇ，Ｂの３種類に独立して泳動電極が制御される。各色のカラーフィルター毎に、泳動電極制御用信号線９ａ〜９ｃが配線され、撮像素子１０と帯電粒子制御回路７が接続されている。帯電粒子制御回路７は、泳動電極制御用信号線９ａ〜９ｃに泳動電極制御用信号を出力し、色毎に泳動電極への電圧の印加状態を制御する。これによって、所定の、あるいは画像信号から自動的に求められるホワイトバランス係数に基づいて画像信号のホワイトバランス補正を行うのと同様の効果が得られる。

本実施形態のホワイトバランスへの応用についての特徴の１つとして、図７に示される帯電粒子制御回路７が撮像素子側には必ずしも必要ではなく、撮像装置の一部として設けられていればよい。また、信号レベル検波器はなくてもよい。

以上、図面を参照して本発明の実施形態について詳述してきたが、具体的な構成はこれらの実施形態に限られるものではなく、この発明の要旨を逸脱しない範囲の設計変更等も含まれる。例えば、ホワイトバランスへの応用は色温度変換フィルターとすることができ、カラーコレクションとすることもできる。

また、ＲＧＢ単板はＹｅＳｙＭｇ単板とすることができ、ＲＧＢＸ（ＸはＲＧＢ３色以外の色または白）の単板とすることもできる。さらに、８画素の撮像素子はn画素の撮像素子（nは有限である自然数）とすることができる。さらに、帯電した粒子は磁性液体やイオン液体とすることができる。

本発明の第１の実施形態による撮像素子の上面図である。 本発明の第１の実施形態による撮像素子の側面断面図である。 本発明の第１の実施形態による撮像素子の動作を説明するための側面断面図である。 本発明の第１の実施形態による撮像素子の動作を説明するための側面断面図である。 本発明の第１の実施形態による撮像素子の動作を説明するための側面断面図である。 本発明の第２の実施形態による撮像素子の上面図である。 本発明の第３の実施形態による撮像素子の構成を示す構成図である。 本発明の第３の実施形態による撮像素子が備える帯電粒子制御回路の回路図である。 本発明の第４の実施形態による撮像素子の構成を示す構成図である。 従来技術において発生する解像度劣化を説明するための説明図である。

符号の説明

１・・・受光部、２・・・受光部以外、３・・・帯電粒子泳動層、４ａ，４ｂ・・・泳動電極、５・・・レンズオンチップ、６・・・微小粒子、７・・・帯電粒子制御回路、１０・・・撮像素子、２１・・・回路部、２２・・・配線

Claims (4)

1. 入射した光を光電変換して光学像を画像信号として出力する撮像素子において、
   各画素の受光部と、配線もしくは回路部とを覆うように１画素単位で設けられた帯電粒子泳動層と、
   前記帯電粒子泳動層に封入された、光透過性および絶縁性を有する泳動液と、
   前記帯電粒子泳動層に封入された、遮光性を有する帯電粒子と、
   前記帯電粒子泳動層に接した泳動電極と、
   を設けたことを特徴とする撮像素子。
2. 前記帯電粒子泳動層は、１画素単位に複数の独立した泳動層を有しており、
   各々の前記泳動層には、前記泳動液および前記帯電粒子が封入されているとともに、一対の独立した泳動電極が接している
   ことを特徴とする請求項１に記載の撮像素子。
3. 前記受光部からの出力信号レベルを非破壊で検波する信号レベル検波器と、
   前記信号レベル検波器により検波された出力信号レベルを用いて前記泳動電極を制御する帯電粒子制御回路と、
   をさらに有することを特徴とする請求項１または請求項２に記載の撮像素子。
4. 複数色のカラーフィルターを搭載した請求項１に記載の撮像素子と、
   各色の前記カラーフィルター毎に、前記泳動電極を制御するための信号を伝送する泳動電極制御用信号線が配線され、
   前記泳動電極制御用信号線が接続され、前記泳動電極を制御する帯電粒子制御回路を有し、ホワイトバランス機能を持つ
   ことを特徴とする撮像装置。
   
   

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