JP2013085028A - 撮像装置および電子機器 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】撮像装置は、複数の画素を含み、撮像データを取得するイメージセンサと、イメージセンサの受光面上に設けられ、選択的な波長を透過させる可変フィルタと、可変フィルタを駆動して、その透過波長を設定するフィルタ駆動部(波長選択回路およびシステム制御部)とを備える。可変フィルタにおける透過波長を時分割的に切り替えつつ、撮像データを取得することにより、可変フィルタにおける透過波長に対応する画素データを時間的に連続して取得する。
【選択図】図2
Description
1.実施の形態(イメージセンサ上に設けた可変フィルタの透過波長(R,G,B)を時分割的に切り替える例)
2.変形例1(R,G,B,近赤外線の時分割駆動,画像処理の他の例)
3.変形例2(イメージセンサの他の例)
4.変形例3(可変フィルタ(液晶リオフィルタ)の他の例)
5.変形例4(可変フィルタに圧電ファブリペロー干渉フィルタを用いた例)
6.適用例(電子機器の例)
[構成]
図1は、本開示の一実施の形態に係る撮像装置(撮像装置1)の全体構成を表すものである。撮像装置1は、カラー画像(静止画または動画)の撮影に適した撮像装置であり、イメージセンサ10(撮像素子)の受光面上に、可変フィルタ20が設けられたものである。可変フィルタ20は、配線10aを介してイメージセンサ10に形成された電子回路(後述の波長選択回路21)に接続されている。
図2は、撮像装置1の機能ブロック構成を表したものである。撮像装置1において、イメージセンサ10は、基板11上に画素アレイ部12を有し、この画素アレイ部12の周囲に、画素アレイ部12を駆動するための回路部(例えば行走査部13、水平選択部14、列走査部15およびシステム制御部16)が配設されている。可変フィルタ20は、イメージセンサ10上に画素アレイ部12に対向するように設けられており、基板10上に形成された波長選択回路21に接続されている。撮像装置1はまた、基板11上に、画像処理部22を備えている。
図3は、フォトダイオード111Aを含む画素Pの回路構成の一例である。画素Pは、例えば、フォトダイオード111A(光電変換素子)と、4つのトランジスタTr1,Tr2,Tr3,Tr4と、前述の垂直信号線18と、画素駆動線17(行選択線171,リセット制御線172および転送線73)とを含んでいる。各画素Pには、画素駆動線17として、例えば、行選択線171、リセット制御線172および転送線173の3本の駆動配線が同一画素行の各画素について共通に接続されている。これらの行選択線171、リセット制御線172および転送線173の各一端は、行走査部13の各画素行に対応した出力端に、画素行単位で接続されている。
図4は、波長選択回路21の回路構成の一例である。波長選択回路21は、可変フィルタ20を構成する液晶セルLCへ信号電圧Voutを印加するためのトランジスタTrを有すると共に、信号電圧Voutを設定するためのオペアンプ28およびデジタルポテンショメータ29からなる電子回路を有している。トランジスタTrのゲートは、システム制御部16からのタイミング制御信号を伝送するための選択線27に接続され、ソースおよびドレインのうちの一方がオペアンプ28の出力端子、他方が液晶セルLCの電極(後述の電極23a1,23b1,23c1)に接続されている。尚、後述するように本実施の形態では、可変フィルタ20が、3つの液晶セル20A〜20Cを有しており、これらの液晶セル20A〜20Cのそれぞれに個別に印加する信号電圧φ1,φ2,φ3の組み合わせに応じて、透過波長を時分割的に設定する(切り替える)ようになっている。このため、上記回路が液晶セル20A〜20C毎に(あるいは後述するセルユニットU毎に)それぞれ設けられており、対応するトランジスタTr5〜Tr7によって選択的なタイミングで信号電圧φ1,φ2,φ3が印加されるようになっている。尚、図4において、液晶セルLCは、液晶セル20A〜20Cのいずれか、トランジスタTrはトランジスタTr5〜Tr7のいずれか、信号電圧Voutは信号電圧φ1,φ2,φ3のいずれかにそれぞれ相当している。
図5は、撮像装置1の断面構造の一部(画素アレイ部12とその周辺部との境界付近)について模式的に表したものである。イメージセンサ10は、例えば、基板11上において、配線層112よりも上層に、光電変換層114を含む素子層113を有する、いわゆる裏面照射型のCMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor)である。この構造では、例えば、素子層113に、光電変換層114と共に上述した画素駆動用のトランジスタTr1〜Tr4と、波長選択回路21の一部を構成するトランジスタTr5〜Tr7が形成されている。光電変換層114の直上には、集光用のオンチップレンズ(OCL:On Chip Lens)が設けられている。画素アレイ部12では、画素P毎に、光電変換層114およびオンチップレンズ115を含むフォトダイオード111Aと共に、上述したような4つのトラジスタTr1〜Tr4とが設けられている。このイメージセンサ10の受光面側には、可変フィルタ20が積層されている。
本実施の形態の作用、効果について、図2〜図11を参照して説明する。図8は、本実施の形態の可変フィルタ20およびイメージセンサ10による撮像データ取得動作を説明するための概念図である。
ここで、可変フィルタ20における透過波長の設定は次のようにして行う。即ち、図8に示したように、システム制御部16は、波長選択回路21を用いて可変フィルタ20を構成する液晶セル20A〜20Cのそれぞれに対し、互いに異なる電圧を印加する。例えば、液晶セル20Aには駆動電圧φ1、液晶セル20Bには駆動電圧φ2、液晶セル20Cには駆動電圧φ3をそれぞれ供給する。このときの駆動電圧φ1〜φ3の組み合わせ(液晶セル20A〜20Cの各透過波長の組み合わせ)により、可変フィルタ20全体として特定の波長のみが透過され、イメージセンサ10側へ出射される。即ち、被写体の画像は、可変フィルタ20によって選択された特定の波長についての撮像データとして取得される。具体的には、図8に示したように、駆動電圧φ1〜φ3の組み合わせに応じて、可変フィルタ20が赤色光Lrを選択的に透過させることにより、各画素Pでは、R単色のデータ(画素データDr)を得る。あるいは、緑色光Lgを選択的に透過させることにより、G単色のデータ(画素データDg)を得る。あるいは、青色光Lbを選択的に透過させることにより、B単色のデータ(画素データDb)を得る。
但し、本実施の形態では、可変フィルタ20における透過波長を時分割的に切り替えつつ、イメージセンサ10において受光を行い、撮像データを取得する。具体的には、図10(A)〜(C)に模式的に示したように、R,G,Bの各色光が時分割的に切り替わって透過されるように可変フィルタ20を駆動し、イメージセンサ10では、各画素PにおいてR,G,Bの単色のデータ(画素データ)を時間的に連続して取得する。
図11は、画像処理部22における画像演算処理動作の一例を表すフローチャートである。撮像データD0では、上述のように、時間的に連続して取得されたR,G,Bの各色の画素データを含んでいる。画像処理部22では、このような撮像データD0を用いた演算処理によって、3原色のカラー画像を生成する。
上記実施の形態では、画像処理部22が、R,G,Bの時系列データを用いてカラー画像を生成する演算処理を行う場合について説明したが、カラー画像を生成する際に、R,G,Bに加え、更に他の波長、例えば近赤外線(IR)等のデータを用いるようにしてもよい。
図13は、変形例2に係るイメージセンサ(イメージセンサ10B)を備えた撮像装置の断面構造の一部について模式的に表したものである。本変形例においても、イメージセンサ10Bの受光面上に可変フィルタ20が設けられるが、本変形例では、イメージセンサ10Bが、例えば、基板11上において、配線層112よりも下層に、光電変換層114を含む素子層116を有する、いわゆる表面照射型のCMOSである。この構造においても、上記裏面照射型の場合と同様、素子層116には、光電変換層114と共に上述した画素駆動用のトランジスタTr1〜Tr4と、波長選択回路21の一部を構成するトランジスタTr5〜Tr7が形成されている。但し、本変形例では、光電変換層114の直上の配線層117に対応する領域には導波路層118が形成されており、この導波路層118上にオンチップレンズ115が設けられている。このように、イメージセンサ10Bとしては、裏面照射型に限らず表面照射型のものを用いてもよい。
図14は、変形例3に係る可変フィルタ(可変フィルタ30)の断面構造を表したものである。本変形例の可変フィルタ30は、上記実施の形態の可変フィルタ20と同様、イメージセンサ10の受光面上に設けられ、透過波長を時分割的に切り替える機能を有するものである。また、例えば複数の液晶セルを積層した液晶リオフィルタからなり、必要に応じて、基板面に沿った方向において複数のセルユニットUを有していてもよい。
図16は、変形例4に係る可変フィルタ(可変フィルタ40)の概略構成を表したものである。上記実施の形態および変形例1〜3ではいずれも、可変フィルタの一例として液晶リオフィルタを挙げたが、本変形例のように圧電ファブリペロー干渉フィルタを用いてもよい。この圧電ファブリペロー干渉フィルタは、例えば、対向する一対の基板41a,41b間に、圧電素子42をスペーサとして設け、圧電素子42を電圧駆動することにより、基板41a,41b間のセルギャップを調整できるようになっている。基板41a,41bの各対向面には、光を反射または透過させる半透過鏡43a,43bが貼り合わせられている。このような構成において、入射光Lを基板41a,41b間(半透過鏡43a,43b間)において反射させることによって干渉させ、選択的な波長のみを透過させる。このとき、圧電素子42の制御によりセルギャップを調整することで、透過波長を任意に設定可能となっている。このように、可変フィルタ40は、圧電ファブリペローフィルタから構成されていてもよく、この場合であっても、電気的および機械的制御によりセルギャップを変化させ、透過波長を切り替えることができる。従って、R,G,Bの各波長を時分割的に切り替えることができる。これにより上記実施の形態と同様、R,G,Bの時系列データを取得して、カラー画像を生成することが可能である。よって、上記実施の形態と同等の効果を得ることができる。
上記実施の形態および変形例1〜4に係る構成を含む撮像装置1は、撮影機能、測定機能および表示機能等を有する様々な種類の電子機器に適用可能である。上述したように撮像装置1は、高画質のカラー画像を提供できることから、カメラ(デジタルスチルカメラまたはビデオカメラ)や、撮影機能を有する携帯電話機やPDA(Personal Digital Assistant)などのモバイル機器に好適である。また、この他にも、特定物質の測定(検出)装置等にも適用可能である。図17にその一例としてカメラ(カメラ2)の機能ブロック構成について示す。
(1)複数の画素を含み、撮像データを取得する撮像素子と、前記撮像素子の受光面上に設けられ、入射光の選択的な透過波長が変化するように構成された可変フィルタと、前記可変フィルタを駆動して前記透過波長を設定するフィルタ駆動部とを備え、前記フィルタ駆動部は、前記可変フィルタにおける前記透過波長を時分割的に切り替える撮像装置。
(2)前記撮像素子において前記複数の画素が2次元配置され、前記可変フィルタは、それぞれが前記撮像素子の各画素に対向する複数のサブフィルタを有し、前記フィルタ駆動部は、前記複数のサブフィルタを個別に駆動する上記(1)に記載の撮像装置。
(3)前記撮像素子において前記複数の画素が2次元配置され、前記可変フィルタは、それぞれが前記撮像素子における各画素列または各画素行に対向する複数のサブフィルタを有し、前記フィルタ駆動部は、前記複数のサブフィルタを個別に駆動する上記(1)に記載の撮像装置。
(4)前記可変フィルタは、前記撮像素子の全画素にわたって一体的に設けられている上記(1)に記載の撮像装置。
(5)前記フィルタ駆動部は、R(赤),G(緑),B(青)の各色光を時分割的に透過させるように前記可変フィルタを駆動する上記(1)〜(4)のいずれかに記載の撮像装置。
(6)前記撮像データとして、時間的に連続するタイミングで取得されたR,G,Bの各色の画素データを用いて、各タイミングにおけるカラー画像を生成する画像処理部を更に備えた上記(5)に記載の撮像装置。
(7)前記画像処理部は、第1のタイミングで取得されたR,G,Bのうちのいずれかの波長の第1の画素データと、前記第1のタイミングに時間的に続く第2,第3のタイミングでそれぞれ取得された第2,第3の画素データとの間における被写体の各移動量をそれぞれ算出し、前記第1および第2の画素データ間の前記被写体の移動量に基づいて、前記第2の画素データに対応する波長の前記第1のタイミングにおける画素データを生成し、かつ前記第1および第3の画素データ間の前記被写体の移動量に基づいて、前記第3の画素データに対応する波長の前記第1のタイミングにおける画素データを生成する上記(6)に記載の撮像装置。
(8)前記フィルタ駆動部は、R,G,Bの各色光と近赤外線とをそれぞれ時分割的に透過させるように前記可変フィルタを駆動する上記(5)に記載の撮像装置。
(9)前記撮像データとして、時間的に連続するタイミングで取得されたR,G,Bの各波長と近赤外線との画素データを用いて、各タイミングにおけるカラー画像を生成する画像処理部を更に備えた上記(8)に記載の撮像装置。
(10)前記画像処理部は、第1のタイミングで取得されたR,G,Bおよび近赤外線のうちのいずれかの波長に対応する第1の画素データと、前記第1のタイミングに時間的に続く第2ないし第4のタイミングでそれぞれ取得された第2ないし第4の画素データとの間における被写体の各移動量をそれぞれ算出し、前記第1および第2の画素データ間の前記被写体の移動量に基づいて、前記第2の画素データに対応する波長の前記第1のタイミングにおける画素データを生成し、前記第1および第3の画素データ間の前記被写体の移動量に基づいて、前記第3の画素データに対応する波長の前記第1のタイミングにおける画素データを生成し、かつ前記第1および第4の画素データ間の前記被写体の移動量に基づいて、前記第4の画素データに対応する波長の前記第1のタイミングにおける画素データを生成する上記(9)に記載の撮像装置。
(11)前記可変フィルタは、液晶リオフィルタからなる上記(1)〜(10)のいずれかに記載の撮像装置。
(12)前記液晶リオフィルタは、それぞれが個別に電圧駆動される複数の液晶セルを積層したものであり、前記フィルタ駆動部は、前記複数の液晶セルのそれぞれに駆動電圧を印加し、それらの駆動電圧の組み合わせによって、前記液晶リオフィルタにおける前記透過波長を設定する上記(11)に記載の撮像装置。
(13)前記可変フィルタは、圧電ファブリペロー干渉フィルタからなる上記(1)〜(10)のいずれかに記載の撮像装置。
(14)複数の画素を含み、撮像データを取得する撮像素子と、前記撮像素子の受光面上に設けられ、入射光の選択的な透過波長が変化するように構成された可変フィルタと、前記可変フィルタを駆動して前記透過波長を設定するフィルタ駆動部とを有する撮像装置を備え、前記フィルタ駆動部は、前記可変フィルタにおける前記透過波長を時分割的に切り替える電子機器。
Claims (14)
- 複数の画素を含み、撮像データを出力する撮像素子と、
前記撮像素子の受光面上に設けられ、入射光の選択的な透過波長が可変に構成された可変フィルタと、
前記可変フィルタを駆動して前記透過波長を時分割的に切り替えるフィルタ駆動部と
を備えた撮像装置。 - 前記撮像素子の前記複数の画素は2次元配置され、
前記可変フィルタは、それぞれが前記撮像素子の各画素に対向する複数のサブフィルタを有し、
前記フィルタ駆動部は、前記複数のサブフィルタを個別に駆動する
請求項1に記載の撮像装置。 - 前記撮像素子の前記複数の画素は2次元配置され、
前記可変フィルタは、それぞれが前記撮像素子における各画素列または各画素行に対向する複数のサブフィルタを有し、
前記フィルタ駆動部は、前記複数のサブフィルタを個別に駆動する
請求項1に記載の撮像装置。 - 前記可変フィルタは、前記撮像素子の全画素にわたって一体的に設けられている
請求項1に記載の撮像装置。 - 前記フィルタ駆動部は、R(赤),G(緑),B(青)の各色光を時分割的に透過させるように前記可変フィルタを駆動する
請求項1に記載の撮像装置。 - 時間的に連続するタイミングで前記撮像素子から出力された前記撮像データとして、R,G,Bの各色の画素データを用いて、各タイミングにおけるカラー画像を生成する画像処理部を更に備えた
請求項5に記載の撮像装置。 - 前記画像処理部は、
第1のタイミングで取得されたR,G,Bのうちのいずれかの波長の第1の画素データと、前記第1のタイミングに時間的に続く第2,第3のタイミングでそれぞれ取得された第2,第3の画素データとの間における被写体の各移動量をそれぞれ算出し、
前記第1および第2の画素データ間の前記被写体の移動量に基づいて、前記第2の画素データに対応する波長の前記第1のタイミングにおける画素データを生成し、かつ
前記第1および第3の画素データ間の前記被写体の移動量に基づいて、前記第3の画素データに対応する波長の前記第1のタイミングにおける画素データを生成する
請求項6に記載の撮像装置。 - 前記フィルタ駆動部は、R,G,Bの各色光と近赤外線とをそれぞれ時分割的に透過させるように前記可変フィルタを駆動する
請求項5に記載の撮像装置。 - 時間的に連続するタイミングで前記撮像素子から出力された前記撮像データとして、R,G,Bの各波長と近赤外線との画素データを用いて、各タイミングにおけるカラー画像を生成する画像処理部を更に備えた
請求項8に記載の撮像装置。 - 前記画像処理部は、
第1のタイミングで取得されたR,G,Bおよび近赤外線のうちのいずれかの波長に対応する第1の画素データと、前記第1のタイミングに時間的に続く第2ないし第4のタイミングでそれぞれ取得された第2ないし第4の画素データとの間における被写体の各移動量をそれぞれ算出し、
前記第1および第2の画素データ間の前記被写体の移動量に基づいて、前記第2の画素データに対応する波長の前記第1のタイミングにおける画素データを生成し、
前記第1および第3の画素データ間の前記被写体の移動量に基づいて、前記第3の画素データに対応する波長の前記第1のタイミングにおける画素データを生成し、かつ
前記第1および第4の画素データ間の前記被写体の移動量に基づいて、前記第4の画素データに対応する波長の前記第1のタイミングにおける画素データを生成する
請求項9に記載の撮像装置。 - 前記可変フィルタは、液晶リオフィルタからなる
請求項1に記載の撮像装置。 - 前記液晶リオフィルタは、複数の液晶セルを積層したものであり、
前記フィルタ駆動部は、前記複数の液晶セルのそれぞれに駆動電圧を印加し、それらの駆動電圧の組み合わせによって、前記液晶リオフィルタにおける前記透過波長を設定する
請求項11に記載の撮像装置。 - 前記可変フィルタは、圧電ファブリペロー干渉フィルタからなる
請求項1に記載の撮像装置。 - 複数の画素を含み、撮像データを出力する撮像素子と、
前記撮像素子の受光面上に設けられ、入射光の選択的な透過波長が可変に構成された可変フィルタと、
前記可変フィルタを駆動して前記透過波長を時分割的に切り替えるフィルタ駆動部と
を備えた撮像装置を有する電子機器。
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