JP2016174050A - Imaging element, imaging device, control method of the same, program, and recording medium - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、撮像素子の撮像面の曲率を可変制御する技術に関する。 The present invention relates to a technique for variably controlling the curvature of an imaging surface of an imaging element.
近年、コンパクトデジタルカメラにも1型以上の大型のイメージセンサが搭載されるようになっている。これにより、従来は一眼レフカメラでしかできなかった超高感度での撮影や、被写体深度が浅くボケ味が生きる撮影などがコンパクトデジタルカメラでもできるようになる。 In recent years, compact digital cameras have been equipped with one or more large image sensors. As a result, it is possible to shoot with ultra-high sensitivity, which was conventionally possible only with a single-lens reflex camera, or with a compact digital camera, such as shooting with a shallow subject depth and vivid blur.
このようにコンパクトデジタルカメラに大型イメージセンサを搭載する場合、レンズも大型化する傾向にあるため、レンズを小型化することが必要となる。しかしながら、同等の性能を維持しつつレンズを小型化しようとした場合、被写体からレンズへ入射する光線の入射角度(以下、光線入射角)が大きくなってしまうという課題がある。 As described above, when a large image sensor is mounted on a compact digital camera, the lens tends to increase in size, and thus it is necessary to reduce the size of the lens. However, when trying to reduce the size of the lens while maintaining equivalent performance, there is a problem that the incident angle of light incident on the lens from the subject (hereinafter referred to as light incident angle) increases.
このような課題を解決する手段として、特許文献1では、レンズ収差を補正するために、撮像面を湾曲させた構造の撮像素子が提案されている。また、特許文献2では、撮像素子の撮像面の曲率がレンズの像面収差に応じて設定されており、ズーミング時にテレ側とワイド側の間で曲率を可変制御する撮像装置が提案されている。
As means for solving such a problem,
撮像素子の撮像面の曲率を可変制御するためには、例えば負圧が用いられる。図7は、撮像素子の撮像面の曲率を制御する曲率制御機構の構成の概略図である。 In order to variably control the curvature of the imaging surface of the imaging element, for example, negative pressure is used. FIG. 7 is a schematic diagram of a configuration of a curvature control mechanism that controls the curvature of the imaging surface of the imaging element.
図7に示すように、撮像素子700は、湾曲部702を有する半導体画素チップ部701と、平坦部704および開口部705を有する台座703、底板706、吸引部707を備える。画素チップ部701は、台座703の表面側の平坦部704により支持される。また、底板706は、台座703の裏面側の開口部705を閉塞するように設けられる。そして、吸引部707は、底板706における開口部705に対応する位置に取り付けられている。
As shown in FIG. 7, the image sensor 700 includes a semiconductor
画素チップ部701は、中央部分に単位画素が2次元状に配列された撮像領域(撮像面)を有し、周辺部分に回路部を有している。
The
そして、吸引部707が、底板706により気密状態とされた開口部705の内部のガスを吸引し、開口部705の内部の気圧(負圧)を制御することにより湾曲部702の曲率を可変制御するように構成されている。
Then, the
このように、撮像素子の撮像面の曲率を可変制御する機構は非常に複雑であり、また、湾曲部に対して非接触で変形させるため、曲率を精度良く制御することが非常に難しくなる。 As described above, the mechanism for variably controlling the curvature of the imaging surface of the image sensor is very complicated. Further, since the bending portion is deformed in a non-contact manner, it is very difficult to accurately control the curvature.
本発明では、上記課題に鑑みてなされ、その目的は、撮像素子の撮像面の曲率を高精度に制御できる技術を実現することである。 The present invention has been made in view of the above problems, and an object thereof is to realize a technique capable of controlling the curvature of the imaging surface of the imaging element with high accuracy.
上記課題を解決し、目的を達成するために、本発明の撮像素子は、画素が2次元状に配列された撮像素子であって、前記撮像素子の撮像面のいずれか一辺方向のみを曲げ変形可能とした。 In order to solve the above-described problems and achieve the object, the imaging device of the present invention is an imaging device in which pixels are arranged two-dimensionally, and only one side direction of the imaging surface of the imaging device is bent and deformed. It was possible.
本発明によれば、撮像素子の撮像面の曲率を高精度に制御できるようになる。 According to the present invention, the curvature of the imaging surface of the imaging device can be controlled with high accuracy.
以下に、添付図面を参照して本発明を実施するための形態について詳細に説明する。尚、以下に説明する実施の形態は、本発明を実現するための一例であり、本発明が適用される装置の構成や各種条件によって適宜修正又は変更されるべきものであり、本発明は以下の実施の形態に限定されるものではない。また、後述する各実施形態の一部を適宜組み合わせて構成しても良い。 EMBODIMENT OF THE INVENTION Below, the form for implementing this invention with reference to an accompanying drawing is demonstrated in detail. The embodiment described below is an example for realizing the present invention, and should be appropriately modified or changed according to the configuration and various conditions of the apparatus to which the present invention is applied. It is not limited to the embodiment. Moreover, you may comprise combining suitably one part of each embodiment mentioned later.
以下、本発明を、コンパクトデジタルカメラなどの撮像装置に適用した実施形態について説明する。なお、本発明は、撮像素子の撮像面の曲率を可変に制御できる機能を有する他の装置にも適用可能である。 Hereinafter, embodiments in which the present invention is applied to an imaging apparatus such as a compact digital camera will be described. The present invention can also be applied to other devices having a function capable of variably controlling the curvature of the imaging surface of the imaging element.
<装置構成>図1を参照して、本発明に係る実施形態の撮像装置の構成および機能の概略について説明する。 <Apparatus Configuration> With reference to FIG. 1, an outline of a configuration and functions of an imaging apparatus according to an embodiment of the present invention will be described.
図1において、本実施形態の撮像装置100には1型以上の大型の撮像素子が搭載されている。
In FIG. 1, an
レンズ101は、フォーカスレンズやズームレンズを含む。
The
レンズ制御部102は、主制御部111による制御信号に基づいてレンズ101の駆動制御を行う。例えば、ズーミング時は、レンズ制御部102は、ユーザのズーム操作に応じてレンズ101をテレ端とワイド端の間において所定のズーム倍率に対応する位置に移動させるズーム制御を行う。
The
シャッター103は、撮像素子106の撮像面に結像される被写体像光の照射時間を調節するために機械的に駆動されるメカニカルシャッターである。
The
絞り104は、撮像素子106の撮像面に結像される被写体像の光量を調節するものであり、機械的に駆動されることで開口径が可変な絞り羽根を含む。
The
シャッター・絞り制御部105は、主制御部111による制御信号に基づいてシャッター103や絞り104の駆動制御を行う。
The shutter /
撮像素子106は、レンズ101や絞り104、シャッター103を含む光学系を介して結像された被写体像を電気信号に変換するCCDやCMOSなどで構成される。なお、撮像素子106の詳細な構成については、図2および図3を用いて後述する。
The
曲率制御部118は、図4乃至図6で後述するように撮像素子106に設けられ、主制御部111による制御信号に基づいて撮像素子106の撮像面の曲率の可変制御を行う。
The
タイミングジェネレータ(TG)109は、主制御部111による制御信号に基づいて撮像素子106を駆動するためのタイミング信号を発生し、撮像素子106、CDS・A/D変換部107および信号処理部108に出力する。
A timing generator (TG) 109 generates a timing signal for driving the
CDS・A/D変換部107は、撮像素子106から出力されるアナログ信号について、相関2重サンプリング、ゲイン調整、アナログ信号からデジタル信号への変換が行われ、R、G、Bの信号として、信号処理部108に出力される。なお、ここでは、撮像素子106とCDS・A/D変換部107を別個の構成として説明したが、CDS・A/D変換部107が撮像素子106に内蔵されることにより一体化されて構成しても構わない。また、撮像チップと画像処理チップが積層された撮像素子106を用いてもよい。
The CDS / A /
信号処理部108は、CDS・A/D変換部107から出力されたデジタル信号に対して色変換処理やガンマ補正処理などの信号処理を施し、圧縮処理を行って画像データを生成する。また、信号処理部108は、画像データを画像メモリ110や記録媒体114へ出力したり、画像メモリ110や記録媒体114から読み出した画像データに所定の信号処理を施す。さらに、信号処理部108は、撮像素子106の出力信号から合焦状態や露光量等の測光データを検出し、主制御部111に出力する機能も有する。
The
画像メモリ110は、信号処理部108から出力される画像データを一時的に記憶する。
The
表示部113は、例えばLCDや有機ELが用いられ、画像の表示や操作補助のための表示、カメラの状態表示を行う他、撮影時には撮影画面と測距領域を表示する。
For example, an LCD or an organic EL is used as the
外部接続部115は、パーソナルコンピュータ(PC)などの外部機器との間で通信を行いデータのやり取りを行うためのインターフェースである。
The
記録媒体接続部112は、記録媒体114に対する画像データの読み出しや書き込みを行うためのインターフェースである。
The recording
記録媒体114には、信号処理部108から出力される画像データ(静止画、動画)が記録される。記録媒体114は、撮像装置100に装着されるメモリカードやハードディスクドライブなどであっても良いし、撮像装置100に内蔵されたフラッシュメモリやハードディスクドライブであってもよい。なお、後述するメモリ部116と記録媒体114とを同一の構成としてもよい。
In the
メモリ部116は、主制御部111のCPUの動作用の定数、プログラム、設定情報等が記録される。ここでいう、プログラムとは、本実施形態にて後述する撮像素子の撮像面の曲率の可変制御シーケンスを実行するためのプログラムのことである。
The
主制御部111は、CPU、メインメモリ(RAM)、入出力回路、タイマー回路などを有し、CPUがメモリ部116に格納されたプログラムをRAMの作業エリアに展開し、実行することにより、装置全体の動作を制御する。なお、メインメモリと画像メモリ110とを同一の構成としもよい。
The
操作部117は、撮像装置100への各種指示を入力するためのユーザ操作を受け付ける操作手段であり、ボタンやスイッチなどの物理的な操作部材や、タッチパネルを通じた入力手段など様々な形態が利用可能である。操作部117は、例えば、画像の撮影時や再生時の各種設定を行うメニュースイッチ、レンズ101のズーム動作を指示するズームレバー、撮影モードや再生モードなどの動作モードの切替スイッチ、シャッタースイッチ、電源スイッチなどを含む。主制御部111は、ユーザが操作部117を介して入力した指示や設定に基づいて撮像装置100を制御すると共に、表示部113に設定情報や動作状態、画像などを表示する。
The
<撮像素子>次に、図2および図3を参照して、本実施形態の撮像素子106の詳細な構成について説明する。
<Image Sensor> Next, the detailed configuration of the
図2は、本実施形態の撮像素子106の電気的な構成を示す回路図である。なお、図2では説明の簡略化のために、単位画素201を4行×4列のみ示しているが、実際には多数の単位画素201が2次元状に配置されている。
FIG. 2 is a circuit diagram showing an electrical configuration of the
図2において、単位画素201は、フォトダイオード(PD)202、転送スイッチ203、フローティングディフュージョン(FD)204、ソースフォロアとして機能する増幅MOSアンプ205、選択スイッチ206、リセットスイッチ207を備える。PD202において光が電荷に変換され、PD202で発生した電荷は転送信号φTXを転送スイッチ203に印加することによりPD202からFD204に転送され、FD204に一時的に蓄積される。FD204、増幅MOSアンプ205、及び増幅MOSアンプ205の負荷となる定電流源209によりフローティングディフュージョンアンプが構成される。そして、選択信号φSELを印加することにより選択スイッチ206がオンになり、選択された画素のFD204に蓄積された信号電荷が電圧に変換され、信号出力線208を介して読み出し回路213に出力される。さらに、水平走査回路214により選択信号線210によって選択信号を出力することで読み出し回路213から出力する信号が選択され、選択された画素信号が出力アンプ211を介して撮像素子106の外部に出力される。FD204に蓄積された電荷の除去は、リセット信号φRESをセットスイッチ207に印加することにより行われる。また、垂直走査回路212は、転送スイッチ203、選択スイッチ206、リセットスイッチ207を選択的にオンオフする駆動を行う。
In FIG. 2, a
図3は、図2に示す撮像素子106に用いられるカラーフィルタアレイの一部を例示している。
FIG. 3 illustrates a part of the color filter array used in the
図3において、第1の色フィルタを赤(R)、第2の色フィルタを緑(G)、第3の色フィルタを緑(G)、第4の色フィルタを青(B)とした場合を示している。この色フィルタアレイの配列は、原色の色フィルタ配列の中でも、特にベイヤ配列と呼ばれるもので、高い解像度と優れた色再現性を備えた色フィルタ配列である。 In FIG. 3, the first color filter is red (R), the second color filter is green (G), the third color filter is green (G), and the fourth color filter is blue (B). Is shown. This array of color filter arrays is called a Bayer array among the primary color filter arrays, and is a color filter array having high resolution and excellent color reproducibility.
<曲率制御部>次に、図4を参照して、本実施形態の曲率制御部118の構成および機能について説明する。図4(a)から図4(d)は、図1に示した撮像素子106の構成を示す図である。
<Curvature Control Unit> Next, the configuration and functions of the
図4(a)は、撮像素子106を撮像面方向から見た平面図である。撮像素子106は、少なくともその撮像面が矩形(四角形)形状となるように形成されている。
FIG. 4A is a plan view of the
有効画素部401は、図示のように水平方向(行方向)Hと垂直方向(列方向)Vの2次元方向に図2に示した単位画素201が複数配置された画素アレイを有している。
The
有効画素部401を含む撮像素子106の撮像面の長辺方向(長手方向)である行方向Hに沿う領域403は、後述する複数の伸縮部417によって、レンズ101の光線入射角に応じた撮像特性が得られるように曲げ変形可能に構成されている。領域403を有効画素部401の中心を通り列方向Vと平行な軸回り(紙面に対して上下方向)に下に凸に曲げ変形させることで、有効画素部401は、その長手方向である行方向Hにおいて湾曲する。なお、レンズ101の光線入射角はレンズ101のズーム状態によって変化し、イメージサークルの周辺部ほど角度が大きくなる。
An
一方、有効画素部401を含む撮像素子106の撮像面の短辺方向(短手方向)である列方向Vに沿う領域402は、後述するように曲げ変形しないように構成されている。領域402は、後述するように台座の平坦部414に固定される。領域402が台座の平坦部414に固定されることにより、有効画素部401は列方向Vにおいて曲げ変形不可となる。なお、レンズ101の光線入射角に応じた撮像特性の変化は、画像処理にて補正を施すことで対応する。
On the other hand, the
また、どのようなズーム状態であってもレンズ101にはある程度の光線入射角がつく。そこで、撮像特性を良好に保つために、各単位画素201に配置されるマイクロレンズ(不図示)は、有効画素部401の中心から離れるほど列方向Vにシフトして構成されている。
In any zoom state, the
図4(b)、(c)、(d)は図4(a)のH1−H1‘、H2−H2‘、H3−H3‘の断面構造をそれぞれ示している。 4B, 4C, and 4D respectively show the cross-sectional structures of H1-H1 ', H2-H2', and H3-H3 'of FIG.
図4(b)および図4(d)において、撮像素子106は、湾曲部412を有する半導体画素チップ部411と、平坦部414および開口部415を有する台座413、底板416、複数の伸縮部417を備える。画素チップ部411は、台座413の表面側の平坦部414により支持される。また、底板416は、台座413の裏面側の開口部415を閉塞するように設けられる。そして、伸縮部417は、それぞれ開口部415の内部において湾曲部412の裏面と底板416とに連結されている。
4B and 4D, the
画素チップ部411は、中央部分に単位画素201が2次元状に配列された撮像領域(撮像面)を有し、周辺部分に図2の各回路部209〜215を有している。画素チップ部411は、撮像領域の長辺方向(長手方向)が台座413の開口部415がある下側に凸となるように円弧状に湾曲された湾曲部412を形成する。そして、撮像領域の短辺方向(短手方向)となる湾曲部412の周縁の領域402に対応する平坦部を、接着層を介して台座413の平坦部414に固定することで、画素チップ部411は台座413により支持される。
The
開口部415における底板416と画素チップ部411の間には、曲率制御部118により制御される複数の伸縮部417が取り付けられている。各伸縮部417としては、例えば圧電素子が用いられ、曲率制御部118による電流制御によって各伸縮部417が所望の長さに伸縮可能である。そして、図中の点線で示すように湾曲部412の曲率(湾曲度)が可変に制御できるよう構成されている。
Between the
図4(b)および(d)に対して、図4(a)および(c)に示すように、開口部415における有効画素部401が位置する領域には、伸縮部417が設けられていない。これは、伸縮部417のような可動要素が有効画素部401と接触して撮像特性に悪影響を及ぼさないようにするためである。
4 (b) and 4 (d), as shown in FIGS. 4 (a) and 4 (c), the expansion /
なお、図示のように伸縮部417を画素チップ部411の縁部に直接接触させて湾曲部412の曲率(湾曲度)を制御することによって、湾曲形状を非常に高精度に再現可能となる。
Note that the curved shape can be reproduced with very high accuracy by controlling the curvature (curvature) of the bending
なお、湾曲部412の曲率を変更する方法としては、上記のような圧電素子を用いた方式以外に、開口部415の内部の負圧を制御する方式や、画素チップ部411の裏面側に磁性膜を形成し、マグネットや電磁コイルで発生する磁力を制御することにより曲率を可変とする方式などが適用可能である。
Note that, as a method of changing the curvature of the
<曲率制御テーブル>次に、図5を参照して、本実施形態の撮像素子106の撮像面の曲率制御に用いられる曲率制御テーブルについて説明する。
<Curvature Control Table> Next, with reference to FIG. 5, a curvature control table used for curvature control of the imaging surface of the
図5(a)は、レンズ101のズーム位置と撮像素子106の撮像面の曲率制御に用いる曲率制御値Cとを関連付けた曲率制御テーブル、図5(b)は、湾曲部412の曲率制御値Cとズーム位置と湾曲形状の関係を示している。本実施形態の撮像装置100のメモリ部116には、図5(a)に示すような曲率制御テーブルが格納されている。曲率制御部118は、この曲率制御値Cを用いて撮像素子106の撮像面がレンズ101のズーム位置に応じた曲率になるように制御する。この曲率制御テーブルに設定される曲率制御値Cは、ズーム位置ごとに適正な曲率になるように撮像素子106に対して予め実験などを行うことで求められる。
5A is a curvature control table in which the zoom position of the
図5(b)に示す例では、ズーム位置がテレ側に近づくほど曲率が小さく(湾曲部412の形状がフラットに近づく)、ワイド側に近づくほど曲率が大きくなる(湾曲部412の湾曲度が増す)ように曲率制御値Cが設定される。なお、本実施形態のレンズ101は、画像の撮影時やライブビュー時においてズーム位置がワイド側に近いほど、撮像素子106の撮像面への光線入射角が大きくなるように構成されている。
In the example shown in FIG. 5B, the curvature decreases as the zoom position approaches the tele side (the shape of the
また、図5(a)の曲率制御テーブルでは、ズーム位置としてWide、M1などのズームポイントを用いているが、各ズーム位置での焦点距離を用いてもよい。 In the curvature control table of FIG. 5A, zoom points such as Wide and M1 are used as zoom positions, but focal lengths at the respective zoom positions may be used.
このような曲率制御テーブルを用いることによって、ズーミング時にズーム位置に応じて変化するレンズ101の光線入射角に対し、撮像特性が最適に保持されるように撮像素子106の撮像面の曲率を制御することができる。
By using such a curvature control table, the curvature of the imaging surface of the
<撮像素子の撮像面の曲率の可変制御>次に、図6を参照して、本実施形態の撮像装置100による撮像素子106の撮像面の曲率の可変制御シーケンスについて説明する。
<Variable Control of Curvature of Imaging Surface of Imaging Device> Next, a variable control sequence of the curvature of the imaging surface of the
なお、図6に示す処理は、撮像装置100が撮影モード時に開始され、主制御部111と曲率制御部118が協働して実行される。なお、主制御部111のCPUは、メモリ部116から読み出したプログラムをメインメモリに展開して実行することで、図6の処理を実現する。
The process shown in FIG. 6 is started when the
主制御部111は、操作部117を介して撮影動作の開始指示が入力されると、ステップS601において、撮影シーケンスに関わる制御パラメータなどの各種条件の初期設定を行う。
When a shooting operation start instruction is input via the
ステップS602では、主制御部111は、操作部117のズームレバーなどの操作によって設定されたレンズ101のズーム位置に関する情報を取得する。
In step S <b> 602, the
ステップS603では、主制御部111は、図5(a)の曲率制御テーブルを参照して、ステップS602で取得したズーム位置情報に対応する曲率に設定するための制御値Cを生成し、曲率制御部118に付与する。
In step S603, the
ステップS604では、曲率制御部118は、ステップSS603で与えられた制御値Cに基づいて伸縮部417の電流制御を行う。そして、撮像素子106における画素チップ部411の湾曲部412を曲げ変形させ、所望の曲率になるように制御する。
In step S604, the
ステップS605では、主制御部111は、操作部117を介して撮影終了指示が入力されたか判定し、入力された場合は処理を終了する。また、入力されていない場合には、ステップS602に戻り、取得したズーム位置情報に応じた曲率制御を繰り返し実行する。
In step S605, the
以上のように、本実施形態によれば、撮像素子106の撮像面の長辺方向(長手方向)のみを曲げ変形させる構造としたことで、撮像素子106の撮像面の曲率を高精度に制御できる撮像装置を実現できる。
As described above, according to the present embodiment, the curvature of the imaging surface of the
また、本実施形態のように、伸縮部417を画素チップ部411の縁部に直接接触させて曲率を制御することによって、湾曲形状を高精度に再現可能な撮像装置を実現することができる。
In addition, as in the present embodiment, by controlling the curvature by directly contacting the expansion /
なお、本実施形態では、撮像素子106の撮像面の長辺方向(長手方向)のみを曲げ変形可能とした例を説明したが、撮像素子106の撮像面の長辺方向(長手方向)と短辺方向(短手方向)のいずれか一辺方向のみを曲げ変形可能に構成し、その曲率を可変制御するようにしてもよい。
In this embodiment, the example in which only the long side direction (longitudinal direction) of the imaging surface of the
[その他の実施形態]
本発明は、上述の実施形態の1以上の機能を実現するプログラムを、ネットワーク又は記憶媒体を介してシステム又は装置に供給し、そのシステム又は装置のコンピュータにおける1つ以上のプロセッサがプログラムを読出し実行する処理でも実現可能である。また、1以上の機能を実現する回路(例えば、ASIC)によっても実現可能である。
[Other Embodiments]
The present invention supplies a program that realizes one or more functions of the above-described embodiments to a system or apparatus via a network or a storage medium, and one or more processors in the computer of the system or apparatus read and execute the program This process can be realized. It can also be realized by a circuit (for example, ASIC) that realizes one or more functions.
100…撮像装置、101…レンズ、106…撮像素子、108…信号処理部、111…主制御部、118…曲率制御部、417…伸縮部
DESCRIPTION OF
Claims (12)
前記撮像素子の撮像面のいずれか一辺方向のみを曲げ変形可能としたことを特徴とする撮像素子。 An image sensor in which pixels are arranged two-dimensionally,
An imaging device, wherein only one side direction of the imaging surface of the imaging device can be bent and deformed.
ズーミング時に前記撮像素子の撮像面の曲率を可変制御する制御手段とを有することを特徴とする撮像装置。 The imaging device according to any one of claims 1 to 5,
An image pickup apparatus comprising: control means for variably controlling the curvature of the image pickup surface of the image pickup element during zooming.
前記制御手段は、ズーム位置に応じて前記撮像素子の撮像面の曲率を可変制御することを特徴とする請求項6に記載の撮像装置。 Zoom means for performing a zoom operation in response to a user operation;
The image pickup apparatus according to claim 6, wherein the control unit variably controls a curvature of an image pickup surface of the image pickup element according to a zoom position.
取得手段が、ズーミング時のズーム位置の情報を取得するステップと、
制御手段が、前記ズーム位置の情報に応じて前記撮像面の曲率を可変制御するステップとを有することを特徴とする制御方法。 A method for controlling an imaging apparatus having an imaging element in which only one side direction of an imaging surface of the imaging element is bendable,
An acquisition means for acquiring information of a zoom position during zooming; and
And a step of variably controlling the curvature of the imaging surface in accordance with the zoom position information.
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2015
- 2015-03-16 JP JP2015052687A patent/JP2016174050A/en active Pending
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