JP2008218851A

JP2008218851A - 撮影装置

Info

Publication number: JP2008218851A
Application number: JP2007056612A
Authority: JP
Inventors: Masayuki Naya; 昌之納谷; Shizunami Ri; 静波李
Original assignee: Fujifilm Corp
Current assignee: Fujifilm Corp
Priority date: 2007-03-07
Filing date: 2007-03-07
Publication date: 2008-09-18
Anticipated expiration: 2027-03-07
Also published as: JP5066377B2; US20080217513A1; US7732745B2

Abstract

【課題】絞りの開閉効果を向上させ、絞り値の変更を撮影画像に効果的に反映させることができる撮影装置を提供する。
【解決手段】照射する平行光線の角度を変えながら受光量を測定した際に、受光面に対して垂直（θ＝０°）でない入射角度（θ＝３°〜１５°の範囲）において受光量が最大となる受光特性を有する固体撮像素子を用いる。これにより、絞りを開くことによって生じる受光量の変化量が大きくなり、絞りの開閉効果が向上するので、絞り値の変更を撮影画像に効果的に反映させることができる。
【選択図】図４

Description

本発明は、固体撮像素子を備えた撮影装置に関するものである。

近年、ＣＣＤ（Charge Coupled Device）イメージセンサやＣＭＯＳ（Complementary Metal Oxide Semiconductor）イメージセンサなどの固体撮像素子を備え、固体撮像素子を構成する複数のフォトダイオードによって得られた被写体像をデジタル形式の画像データに変換して記録する、いわゆるデジタルカメラが普及している。また、デジタルカメラには、銀塩カメラと同様に、入射光量を調節するための絞りを設けたものもある。

一般にデジタルカメラが備える固体撮像素子は、図１０に示すように、受光面への光の入射角度が０°の場合（受光面に垂直に光が入射する場合）に最も受光量が大きく、この状態から入射角度が変化するにつれて受光量が低下するといった受光特性を有する（例えば、特許文献１参照）。
特開２００５−１４２４２９号公報

従来のデジタルカメラでは、固体撮像素子が上記受光特性を有するため、絞りを開いて絞りを通過する入射光量を増加させても、固体撮像素子によって受光される受光量は銀塩カメラで期待されるほどは増加せず、絞りの開閉効果（絞りの開閉に伴う受光量の変動性）が小さいといった問題がある。これは、絞りを開くにつれて受光効率の低い斜め入射光が増えるためであり、これでは、絞り値の変更を撮影画像に効果的に反映させることができない。

本発明は、このような事情を鑑みてなされたものであり、絞りの開閉効果を向上させ、絞り値の変更を撮影画像に効果的に反映させることができる撮影装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明の撮影装置は、複数のフォトダイオードを有し、照射する平行光線の角度を変えながら受光量を測定した際に、受光面に対して垂直でない入射角度において受光量が最大となる受光特性を有する固体撮像素子を備えたことを特徴とする。

なお、前記固体撮像素子への入射光を規制する絞りを備えたことが好ましい。

また、前記固体撮像素子の受光量が最大となる前記入射角度は、受光面の垂線に対して３°〜１５°の範囲内であることが好ましい。

また、前記固体撮像素子は、各フォトダイオード上に、コア−クラッド型の光導波路が形成されていることが好ましい。

また、前記光導波路のコア部は、受光面上に直立した柱状部と、この柱状部の上端に一体形成された下凸状部と、この下凸状部の上面に一体形成された上凸状部とからなることが好ましい。

また、前記光導波路のコア部は、受光面上に直立した柱状部と、この柱状部の上端に一体形成された板状部と、この板状部の上面に一体形成された上凸状部とからなることも好ましい。

また、前記柱状部の半径は、０．２７μｍ以上であることが好ましい。

また、前記固体撮像素子は、各フォトダイオードの上方に、特定波長の光を透過させるカラーフィルタを備えていることが好ましい。

また、前記固体撮像素子の受光量には波長依存性があり、前記受光特性は、フォトダイオードに入射する光が特定の波長領域である場合に生じることが好ましい。

また、前記波長領域は、青色光及び緑色光の波長を含む短波長側の波長領域であることが好ましい。

本発明の撮影装置は、照射する平行光線の角度を変えながら受光量を測定した際に、受光面に対して垂直でない入射角度において受光量が最大となる受光特性を有する固体撮像素子を備えるので、絞りを開くことによって生じる受光量の変化量が大きく、絞りの開閉効果が向上する。これにより、絞り値の変更を撮影画像に効果的に反映させることができる。

図１において、デジタルカメラ１０は、ＣＰＵ（主制御回路）１１によって統括的に制御されている。ＣＰＵ１１は、シャッタボタン、メニューボタン、選択キーなどを含む操作部１２から入力される操作信号に応じて各部の動作制御を行う。

撮像レンズ１３は、１枚または複数枚のレンズで構成されており、レンズ駆動部１４によってフォーカスレンズなどが駆動される。レンズ駆動部１４は、モータおよびモータドライバからなり、ＣＰＵ１１によって動作制御される。

絞り１５は、絞り値を連続的に変化させることができるように構成されており、絞り駆動部１６によって絞り値の変更が行われる。絞り駆動部１６は、モータおよびモータドライバからなり、ＣＰＵ１１によって動作制御される。撮像レンズ１３を通過した光は、絞り１５によって規制され、ＣＣＤイメージセンサ１７上に投影される。なお、絞り１５は、上記の構成に限られず、一枚の絞り板に形成された大きさの異なる複数の絞り穴を切り替え自在とするように構成することも可能である。

ＣＣＤイメージセンサ１７は、フォトダイオードが２次元的に配列され、各フォトダイオードで蓄積された信号電荷が垂直ＣＣＤおよび水平ＣＣＤを介して出力アンプへ転送されるインターライン型のＣＣＤイメージセンサである。なお、ＣＣＤイメージセンサ１７の詳細な構成については後述する。

ＣＤＳ（２重相関サンプリング）／ＡＧＣ（オートゲインコントロール）回路１８は、ＣＣＤイメージセンサ１７から出力された撮像信号をサンプルホールドすると同時に、適切なゲインで増幅を行う。Ａ／Ｄ変換器１９は、ＣＤＳ／ＡＧＣ回路１８から出力された撮像信号をデジタル形式の画像データに変換し、これをＤＳＰ（デジタル信号処理回路）２０に入力する。

ＤＳＰ２０は、入力された画像データに対して、色補間、ＹＣ変換、ガンマ補正、輪郭補正、ホワイトバランス補正などの所定の画像処理を施す。ＬＣＤ（液晶ディスプレイ）ドライバ２１は、ＤＳＰ２０によって画像処理が施された画像データをＬＣＤ２２にスルー画表示する。

圧縮伸長処理回路２３は、シャッタボタンが操作された際に動作し、ＤＳＰ２０から画像データを取得して、これにＪＰＥＧ圧縮などの所定の圧縮処理を施す。カードＩ／Ｆ２４は、圧縮伸長処理回路２３によって圧縮された画像データを着脱自在に接続されたメモリカード２５に書き込む。

また、カードＩ／Ｆ２４は、再生モードにおいて操作部１２に所定の操作がなされた場合に、メモリカード２５から画像データを読み出す。この画像データは、圧縮伸長処理回路２３によって伸長処理され、ＬＣＤドライバ２１を介してＬＣＤ２２に再生表示される。

次に、ＣＣＤイメージセンサ１７の構成を説明する。図２において、ＣＣＤイメージセンサ１７は、２次元的に多数配列されたフォトダイオード（ＰＤ）３０と、各ＰＤ３０に接続された読み出し転送ゲート（ＴＧ）３１と、ＰＤ３０の垂直列毎に設けられた垂直ＣＣＤ（ＶＣＣＤ）３２と、各ＶＣＣＤ３２の最終段に共通に接続された水平ＣＣＤ（ＨＣＣＤ）３３と、ＨＣＣＤ３３の最終段に接続された出力アンプ３４とによって構成されている。

ＰＤ３０は、受光した光を光電変換して信号電荷を生成し、生成した信号電荷を蓄積する。各ＴＧ３１は、各ＰＤ３０に蓄積された信号電荷を露光期間終了時に一斉にＶＣＣＤ３２に転送する。各ＶＣＣＤ３２は、ＰＤ３０からＴＧ３１を介して転送された信号電荷を受け取り、ＨＣＣＤ３３に向けて一段ずつ垂直転送を行う。ＨＣＣＤ３３は、各ＶＣＣＤ３２の最終段から出力される信号電荷を一段ずつ受け取り、一段分の信号電荷を受け取るたびに出力アンプ３４に向けて水平転送を行う。出力アンプ３４は、ＨＣＣＤ３３の最終段から出力される信号電荷を検出し、信号電荷の電荷量に応じた電圧信号（撮像信号）を出力する。

図３は、図２のＡ−Ａ線に沿う断面を示す。ｎ型シリコン基板４０上には、ｐ型ウェル層４１が形成されている。ｐ型ウェル層４１内には、光電変換により発生する信号電荷（電子）を蓄積するｎ型層４２が形成されており、ｎ型層４２の上には、正孔を蓄積するｐ^＋型層４３が形成されている。前述のＰＤ３０は、このｐｎｐｎ接合による、いわゆる埋め込み型フォトダイオードとして構成されている。

ｐ型ウェル層４１の表層には、ｐ^＋型層４３の他、ｎ型層４４が形成されている。ｎ型層４４は、ｎ型層４２と、ｐ型ウェル層４１またはｐ^＋型層４３によって分離されており、この上方には、ゲート絶縁膜４５を介して転送電極４６が形成されている。前述のＴＧ３１は、ｎ型層４２，４４間のｐ型ウェル層４１と転送電極４６とによって構成されており、前述のＶＣＣＤ３２は、ｎ型層４４と転送電極４６とによって構成されている。転送電極４６は、印加される電圧に応じて、ＴＧ３１およびＶＣＣＤ３２の電荷転送制御を行う。なお、ゲート絶縁膜４５は、酸化シリコン（ＳｉＯ_２）からなり、転送電極４６は、ポリシリコン（多結晶Ｓｉ）からなる。

転送電極４６の側部および上部を覆うように第１の層間絶縁膜４７が形成されている。転送電極４６上には、この第１の層間絶縁膜４７を介して、遮光膜４８が形成されている。遮光膜４８は、ＰＤ３０上に開口部４８ａを備え、その他の領域を覆って遮光している。なお、第１の層間絶縁膜４７は、酸化シリコン（ＳｉＯ_２）からなり、遮光膜４８は、アルミニウム（Ａｌ）からなる。

ＰＤ３０の受光面４９上には、ゲート絶縁膜４５を介して光導波路５０が形成されている。光導波路５０は、受光面４９上に直立した柱状部５０ａと、この柱状部５０ａの上端に一体形成された下凸状部５０ｂと、下凸状部５０ｂの上面に一体形成された上凸状部５０ｃとからなるコア部を有している。柱状部５０ａは、ほぼ円柱状である。下凸状部５０ｂは、下面が球面状、上面が平面状である。上凸状部５０ｃは、曲面状の上面を有し、下凸状部５０ｂの平面状の上面から膨出するように形成されている。上凸状部５０ｃおよび下凸状部５０ｂの光軸は、柱状部５０ａの中心軸にほぼ一致し、この中心軸は、受光面４９にほぼ垂直である。このように、光導波路５０は、受光面４９の垂線（図中Ｐ）に関してほぼ回転対称となっている。

光導波路５０の側部は、第２の層間絶縁膜５１によって覆われている。この第２の層間絶縁膜５１は、遮光膜４８の側部および上部を覆っており、第２の層間絶縁膜５１上には、ＢＰＳＧ（Boron Phosphorous Silicate Glass）からなる平坦化膜５２が形成されている。さらに、平坦化膜５２の上には、赤、緑、青などの特定の波長の光を透過させるカラーフィルタ５３が設けられており、カラーフィルタ５３の上には、入射光を集光する上凸状のマイクロレンズ５４が設けられている。

光導波路５０は、マイクロレンズ５４によって集光され、カラーフィルタ５３によって波長選択された光を効率よくＰＤ３０へ伝播させるコア−クラッド型の導波路である。光導波路５０は、例えば、屈折率が約２．１０の窒化シリコン（ＳｉＮ）からなる。クラッドとしての第２の層間絶縁膜５１は、光導波路５０より屈折率が低く、例えば、屈折率が１．４５の酸化シリコン（ＳｉＯ_２）からなる。

図４は、以上のように構成されたＣＣＤイメージセンサ１７の受光特性の一例を示す。横軸は、照射された光（平行光線）の入射角度θを示し（図３参照）、縦軸はＰＤ３０の受光量（光電変換に係わる光量）を示す。ＰＤ３０の受光量は、受光面４９に対して垂直（θ＝０°）でない入射角度θ_ｐ，−θ_ｐにおいて最大となっている。つまり、入射角度θを−９０°〜９０°の間で変化させた場合、この受光量には２つのピークが現れる（以下、これを双峰特性と称す）。この双峰特性の出現は、光導波路５０中の柱状部５０ａと下凸状部５０ｂとの組み合わせ構造にあると考えられる。なお、ＣＣＤイメージセンサ１７は、カラーフィルタ５３によって選択される少なくとも１つの波長の光に関してこの双峰特性を有する。

図５（Ａ），（Ｂ）は、上記の受光特性を検証するために、ＦＤＴＤ（Finite Difference Time Domain：有限差分時間領域）法を用いてモデル計算を行った結果である。図５（Ａ）は、柱状部５０ａの半径ｒ１（図６参照）を０．１９μｍとした場合であり、図５（Ａ）は、その半径ｒ１を０．２７μｍとした場合である。下凸状部５０ｂの曲率半径ｒ２（図６参照）は、共通に１．９μｍとしている。また、各グラフでは、カラーフィルタ５３の特性として、波長６３０ｎｍの赤色光を選択透過させる場合（符号Ｒ）、波長５４０ｎｍの緑色光を選択透過させる場合（符号Ｇ）、波長４８０ｎｍの青色光を選択透過させる場合（符号Ｂ）をそれぞれ示している。

図５（Ａ），（Ｂ）により、受光量は、柱状部５０ａの半径ｒ１に依存し、半径ｒ１が大きいほど前述の双峰特性が生じやすい傾向にある。また、受光量には、波長依存性があり、双峰特性は、光導波路５０へ入射する光の波長が、緑色光及び青色光を含む短波長側の波長領域である場合に生じやすい傾向にある。

次に、図７は、一定照度下でデジタルカメラ１０を動作させた場合の絞り１５の絞り値（Ｆ値）に対するＣＣＤイメージセンサ１７の受光量の関係を示す。ＣＣＤイメージセンサ１７は、カラーフィルタ５３によって選択される少なくとも１つの波長の光に関して上記の双峰特性を有するものであるため、絞り１５を開く（Ｆ値を小さくする）ことによって生じる受光量の変化量が従来（双峰特性のない場合）と比べて大きい。前述の入射角度θ_ｐは、３°〜１５°の範囲内であることが好ましく、入射角度θ_ｐ，−θ_ｐの光が絞り値の変更によって増加するとき、受光量の変化量が最も大きくなる。よって、デジタルカメラ１０は、絞り１５の開閉効果が高く、ユーザによって設定される絞り値の変更を撮影画像に効果的に反映させることができる。

次に、図８は、本発明の第２実施形態を示す。本実施形態は、上記第１実施形態において、下凸状部５０ｂの曲率半径ｒ２を無限大とした極限に相当する。光導波路６０は、受光面４９上に直立した柱状部６０ａと、この柱状部６０ａの上端に一体形成された板状部６０ｂと、板状部６０ｂの上面に一体形成された上凸状部６０ｃとからなるコア部を有している。柱状部６０ａは、ほぼ円柱状である。板状部６０ｂは、ほぼ円盤状である。上凸状部６０ｃは、曲面状の上面を有し、板状部６０ｂの平面状の上面から膨出するように形成されている。なお、第１実施形態と同一の部分については、同一の符号を付しており、説明は省略する。

図９は、この第２実施形態の受光特性を、ＦＤＴＤ法を用いてモデル計算を行った結果である。図９（Ａ）は、柱状部６０ａの半径ｒ１を０．１９μｍとした場合であり、図９（Ａ）は、その半径ｒ１を０．２７μｍとした場合である。また、各グラフでは、カラーフィルタ５３の特性として、波長６３０ｎｍの赤色光を選択透過させる場合（符号Ｒ）、波長５４０ｎｍの緑色光を選択透過させる場合（符号Ｇ）、波長４８０ｎｍの青色光を選択透過させる場合（符号Ｂ）をそれぞれ示している。

この結果と第１実施形態の結果（図５参照）との差はごく僅かである。本実施形態では、第１実施形態と同様に、受光量は、柱状部６０ａの半径ｒ１に依存し、半径ｒ１が大きいほど前述の双峰特性が生じやすい傾向にある。また、受光量には、波長依存性があり、双峰特性は、光導波路６０へ入射する光の波長が、緑色光及び青色光を含む短波長側の波長領域である場合に生じやすい傾向にある。本実施形態においても図７と同様な絞りの開閉効果が得られ、デジタルカメラは、ユーザによって設定される絞り値の変更を撮影画像に効果的に反映させることができる。

なお、上記実施形態では、受光量と入射角度との関係に双峰特性が出現する例として、２つの素子構造を示したが、本発明はこれに限定されず、双峰特性を備えるものであればいかなる素子構造を適用することができる。実際に双峰特性の有無を確かめるには、ＣＣＤイメージセンサに対して一定照度の平行光線を照射し、この平行光線の入射角度θを変えながら、ＣＣＤイメージセンサから出力される撮像信号の最大値（最大受光量）を色ごとに検出すればよい。

また、上記実施形態では、固体撮像素子としてＣＣＤイメージセンサを例に挙げているが、本発明はこれに限定されず、ＣＭＯＳイメージセンサなどの他の固体撮像素子を適用することも可能である。

デジタルカメラの構成を示すブロック図である。ＣＣＤイメージセンサの構成を示す概略平面図である。図２のＡ−Ａ線に沿う断面図である。ＣＣＤイメージセンサの受光量と光の入射角度との関係を示す図である。ＦＤＴＤ法によるモデル計算の結果を示す図である。光導波路を構成する柱状部の半径および下凸状部の曲率半径を示す図である。ＣＣＤイメージセンサの受光量と絞り値との関係を示す図である。本発明の第２実施形態を示すＣＣＤイメージセンサの断面図である。ＦＤＴＤ法によるモデル計算の結果を示す図である。従来のデジタルカメラにおける受光量と光の入射角度との関係を示す図である。

符号の説明

１０デジタルカメラ
１１ＣＰＵ
１３撮影レンズ
１７ＣＣＤイメージセンサ
３０フォトダイオード
３１読み出し転送ゲート
３２垂直ＣＣＤ
３３水平ＣＣＤ
４９受光面
５０光導波路
５０ａ柱状部
５０ｂ下凸状部
５０ｃ上凸状部
５１層間絶縁膜
５２平坦化膜
５３カラーフィルタ
５４マイクロレンズ
６０光導波路
６０ａ柱状部
６０ｂ板状部
６０ｃ上凸状部

Claims

複数のフォトダイオードを有し、照射する平行光線の角度を変えながら受光量を測定した際に、受光面に対して垂直でない入射角度において受光量が最大となる受光特性を有する固体撮像素子を備えたことを特徴とする撮影装置。
前記固体撮像素子への入射光を規制する絞りを備えたことを特徴とする請求項１に記載の撮影装置。
前記固体撮像素子の受光量が最大となる前記入射角度は、受光面の垂線に対して３°〜１５°の範囲内であることを特徴とする請求項１または２に記載の撮影装置。
前記固体撮像素子は、各フォトダイオード上に、コア−クラッド型の光導波路が形成されていることを特徴とする請求項１から３いずれか１項に記載の撮影装置。
前記光導波路のコア部は、受光面上に直立した柱状部と、この柱状部の上端に一体形成された下凸状部と、この下凸状部の上面に一体形成された上凸状部とからなることを特徴とする請求項４に記載の撮影装置。
前記光導波路のコア部は、受光面上に直立した柱状部と、この柱状部の上端に一体形成された板状部と、この板状部の上面に一体形成された上凸状部とからなることを特徴とする請求項４に記載の撮影装置。
前記柱状部の半径は、０．２７μｍ以上であることを特徴とする請求項５または６に記載の撮影装置。
前記固体撮像素子は、各フォトダイオードの上方に、特定波長の光を透過させるカラーフィルタを備えていることを特徴とする請求項１から７いずれか１項に記載の撮影装置。
前記固体撮像素子の受光量には波長依存性があり、前記受光特性は、フォトダイオードに入射する光が特定の波長領域である場合に生じることを特徴とする請求項８に記載の撮影装置。
前記波長領域は、青色光及び緑色光の波長を含む短波長側の波長領域であることを特徴とする請求項９に記載の撮影装置。