JP4771092B2 - 撮像装置 - Google Patents

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Description

本発明は撮像装置に係り、特に温度特性を有する撮像素子を有する撮像装置に関する。
従来から、デジタルカメラや、車載カメラなどに組み込まれるカメラユニットなどの撮像装置には、入射光を電気信号に光電変換する撮像素子が設けられている。このような撮像素子としては、ＣＣＤ（Charge Coupled Device）型イメージセンサやＣＭＯＳ（Complementary Metal-Oxide Semiconductor）型イメージセンサなどが広く使用されている。
これらのＣＣＤ型イメージセンサやＣＭＯＳ型イメージセンサは温度特性を有することから、温度センサで検出した撮像装置内部の温度に応じて、これらのイメージセンサにより得られた画像データの補正量を算出し、撮影画像を補正して最適な画像を得る撮像装置が知られている。
例えば、特許文献１には、撮像素子を冷却するペルチェ素子が載置された放熱部材上に温度センサを設け、この温度センサで検出した放熱部材の温度に応じて、撮像素子の温度特性による出力信号のばらつき補正を行う撮像装置が記載されている。
また、特許文献２には、撮像装置の筐体内部で撮像素子の近傍に温度センサを設け、この温度センサで検出した撮像素子近傍の温度に応じて、撮像素子の温度特性による出力信号のばらつき補正を行う撮像装置が記載されている。
また、特許文献３には、撮像素子の撮像エリアの周辺に温度センサを設け、この温度センサで検出した撮像エリア近傍の温度に応じて、撮像素子の温度特性による出力信号のばらつき補正を行う撮像装置が記載されている。
特開平７−０３８０１９号公報 特開平７−２７０１７７号公報 特開２０００−１６２０３６号公報
しかし、特許文献１に記載の撮像装置では、撮像素子及び温度センサが別部材として構成されているため、両者の物理的距離が大きくならざるを得ず、温度検出の精度が低下すると共に、温度センサの取付工程の増加により、製造コストが増大するという問題があった。
また、特許文献２に記載の撮像装置では、撮像素子の近傍に温度センサが設けられているものの、撮像素子、温度センサ及び電子回路がそれぞれ別部材として構成されているため、撮像装置全体の小型化を図ることができないという問題があった。また、温度センサの形状や配置によっては撮像素子との接触面積が広くとれず、撮像素子の温度を正確に検出することができない場合があった。
また、特許文献３に記載の撮像装置では、撮像素子上に温度センサが設けられているものの、温度センサは撮像素子の撮像エリア内になく、撮像エリアの周辺に位置することから、撮像エリアの温度を正確に検出することができないという問題があった。
本発明の課題は、撮像素子の撮像エリアの温度を正確に検出して、撮像素子の温度特性に対する精密な温度補償を行うと共に、撮像装置全体の小型化を図ることを可能とする撮像装置を提供することにある。
上記課題を解決するために請求の範囲第１項記載の発明は、撮像装置であって、入射光を電気信号に変換する撮像素子と、前記撮像素子と積層して実装される信号処理チップと、前記撮像素子と前記信号処理チップとを積層した状態で前記撮像素子に近接するように前記信号処理チップに組み込まれた温度センサと、を備えることを特徴とする。
請求の範囲第１項記載の発明によれば、信号処理チップに温度センサを組み込むことから、撮像装置の構成部品を最小限の大きさ寸法とすることができる。また、撮像素子の出力信号の処理はすべて信号処理チップの中で行われるので、配線スペースを最小限とすることができる。また、温度センサを予め信号処理チップに組み込むことにより、これらを別部材として製造して設置する場合と比較して、撮像装置の製造工程を簡単化することができる。また、撮像素子と温度センサを組み込んだ信号処理チップとを積層することから、撮像装置の構成部品を小型化することができると共に、温度センサと撮像素子とが近接する面積を広く確保して、撮像素子の温度を正確に検出することが可能となる。
請求の範囲第２項記載の発明は、請求の範囲第１項記載の撮像装置であって、前記温度センサの検出結果に基づいて温度変化に起因する前記撮像素子の出力信号のばらつきを補正する制御部を備えることを特徴とする。
請求の範囲第２項記載の発明によれば、信号処理チップに組み込まれた温度センサによって正確に検出した撮像素子の温度データを利用して、撮像素子の出力信号のばらつきを補正することが可能となる。
請求の範囲第３項記載の発明は、請求の範囲第１項又は第２項記載の撮像装置であって、前記撮像素子は入射光を電気信号に線形変換する線形変換動作と対数変換する対数変換動作とを入射光量に応じて切り換え可能な複数の画素を有することを特徴とする。
請求の範囲第３項記載の発明によれば、入射光量に応じて入射光を対数変換又は線形変換するリニアログセンサを備えた撮像装置において、温度センサの検出結果に基づき、温度変化に起因する出力信号のばらつきを補正することが可能となる。
請求の範囲第４項記載の発明は、請求の範囲第１項〜第３項のいずれか１項に記載の撮像装置であって、 前記撮像素子は入射光量に応じて複数の線形変換特性を切換可能であり、温度変化に起因する線形変換特性の傾き変動や、切換え点変動を補正することができることを特徴とする。
請求の範囲第４項記載の発明によれば、入射光量に応じて、（傾きの異なる）複数の線形変換特性を切換可能な撮像素子を備えることにより、温度変化に起因する線形変換特性の傾き変動や、切換え点変動を補正することができる。
請求の範囲第５項記載の発明は、請求の範囲第１項〜第４項のいずれか１項に記載の撮像装置であって、前記温度センサは前記撮像素子と前記信号処理チップとを積層した状態で前記撮像素子の撮像エリアの後面側に近接するように組み込まれていることを特徴とする。
請求の範囲第５項記載の発明によれば、温度センサと撮像素子の撮像エリアとの物理的な距離が小さくなることから、温度センサによって撮像エリアの温度を正確に検出することが可能となる。
請求の範囲第６項記載の発明は、請求の範囲第１項〜第５項のいずれか１項に記載の撮像装置であって、１つの前記温度センサが前記撮像素子と前記信号処理チップとを積層した状態で前記撮像素子の撮像エリアの中心付近に近接するように前記信号処理チップに組み込まれていることを特徴とする。
請求の範囲第６項記載の発明によれば、温度センサが撮像素子の撮像エリアの中心付近に近接する構成となっていることから、撮像エリアのうち最も測定したい部分の温度を検出することが可能となる。
請求の範囲第７項記載の発明は、請求の範囲第１項〜第６項のいずれか１項に記載の撮像装置であって、前記温度センサは前記撮像素子の撮像エリアに重なる部分に設けてあることを特徴とする。
請求の範囲第７項記載の発明によれば、温度センサは撮像素子の撮像エリア部分に設けてあるので温度検出のバラツキが少なく正確な温度検出が可能となる。
請求の範囲第８項記載の発明は、請求の範囲第１項〜第５項のいずれか１項に記載の撮像装置であって、複数の前記温度センサが前記信号処理チップに組み込まれていることを特徴とする。
請求の範囲第８項記載の発明によれば、複数の温度センサで撮像素子の複数箇所の温度を検出することから、特に撮像素子が広い面積を有する場合において、撮像素子全体の温度を正確に検出することが可能となる。
請求の範囲第９項記載の発明は、請求の範囲第１項〜第８項のいずれか１項に記載の撮像装置であって、前記撮像素子及び前記信号処理チップの配線はバンプ電極によって電気的に接続されていることを特徴とする。
請求の範囲第９項記載の発明によれば、ワイヤを用いることなく撮像素子及び信号処理チップを電気的に接続できることから、配線スペースを最小限とすることができる。
請求の範囲第１０項記載の発明は、請求の範囲第１項〜第９項のいずれか一項に記載の撮像装置であって、前記撮像素子及び前記信号処理チップの端部周辺には配線を挿通するための複数の配線用孔がそれぞれ形成されていることを特徴とする。
請求の範囲第１０項記載の発明によれば、撮像素子及び信号処理チップの配線を配線用孔に挿通することにより、配線の一部を撮像装置の構成部品内に納めることができる。
請求の範囲第１項記載の発明によれば、撮像装置の製造コストを削減し、撮像装置全体の小型化を図ると共に、撮像エリアの温度を正確に検出することが可能となる。
請求の範囲第２項記載の発明によれば、撮像素子の温度特性に対する精密な温度補償を行うことが可能となる。
請求の範囲第３項記載の発明によれば、リニアログセンサを備えた撮像装置において、リニアログセンサの温度特性に対する温度補償を行うことが可能となる。
請求の範囲第４項記載の発明によれば、入射光量に応じて、（傾きの異なる）複数の線形変換特性を切換可能な撮像素子を備えることにより、温度変化に起因する線形変換特性の傾き変動や、切換え点変動を補正することができる。
請求の範囲第５項記載の発明によれば、撮像エリアの温度を正確に検出して、撮像素子の温度特性に対するより精密な温度補償を行うことが可能となる。
請求の範囲第６項記載の発明によれば、温度センサによって撮像エリアのうち最も測定したい部分の温度を検出できることから、効果的な温度補償を行うことが可能となる。
請求の範囲第７項記載の発明によれば、温度センサは撮像素子の撮像エリア部分に設けてあるので温度検出のバラツキが少なく正確な温度検出が可能となる。
請求の範囲第８項記載の発明によれば、複数の温度センサで撮像素子全体の温度を正確に検出して、撮像素子の温度特性に対するより精密な温度補償を行うことが可能となる。
請求の範囲第９項記載の発明によれば、配線スペースを最小限として撮像装置の小型化を図ることが可能となる。
請求の範囲第１０項記載の発明によれば、配線の一部を撮像装置の構成部品内に納めて、撮像装置の小型化を図ることが可能となる。
本発明の第１の実施形態に係る撮像装置の構成を示す断面図である。 本発明の第１の実施形態に係る撮像装置の構成を示す平面図である。 本発明の第１の実施形態に係る撮像装置の他の構成例を示す平面図である。 本発明の第１の実施形態に係る撮像装置の機能的構成を示すブロック図である。 本発明の第１の実施形態に係る撮像素子の構成を示すブロック図である。 本発明の第１の実施形態に係る撮像素子が備える画素の構成を示す回路図である。 本発明の第１の実施形態に係る撮像素子が備える画素の動作を示すタイムチャートである。 本発明の第１の実施形態に係る撮像素子の出力信号を示すグラフである。 本発明の第２の実施形態に係る撮像装置の構成を示す断面図である。
符号の説明
１ 撮像装置
２ 筐体
３ レンズ
４ 基板
５ 撮像素子
６ 信号処理チップ
７ マイクロレンズアレイ
８ 温度センサ
９，１０ 電極パッド
１１ ワイヤ
１２ 電極パッド
１３ システム制御部
１４ レンズユニット
１５ 制御部
１６ 信号処理部
１７ タイミング生成部
１８ 電源ライン
１９ 垂直走査回路
２０ 水平走査回路
２１ 補正回路
３２，３３ 配線用孔
３４，３５ バンプ電極
３６，３７ 接着層
（第１の実施形態）
本発明の第１の実施形態について、図１〜図８を参照して説明する。
図１に示すように、撮像装置１は筐体２を備えており、筐体２の一側面の中央部付近には、被写体の画像光を所定の焦点に集光させるレンズ３が、レンズ３の光軸が撮像素子５の受光面に直交するように設けられている。
また、筐体２の内部には基板４が備えられており、基板４の上には信号処理チップ６及び撮像素子５がそれぞれごく薄い接着層（図示略）を介して積層されている。なお、接着層には熱伝導率の高い樹脂などを用いることが好ましい。
撮像素子５は、レンズ３を介して入射した被写体の反射光を電気信号に光電変換するものであり、レンズ３の背面に位置している。また、撮像素子５のレンズ３に対向する面のうち端部付近を除く部分は撮像エリアとされており、この撮像エリアには、撮像素子５の画素内部への集光性を向上させるマイクロレンズアレイ７が設けられている。
信号処理チップ６には、システム制御部１３や信号処理部１６（いずれも図４参照）などの回路が搭載されている他、温度検出手段としての温度センサ８が組み込まれている。図１及び図２に示すように、温度センサ８は、信号処理チップ６に撮像素子５を積層した状態で、撮像エリアの中心付近の後面側にごく薄い接着層（図示略）を介して近接するようになっている。これにより、撮像装置１の構成部品が小型化されると共に、温度センサ８が接着層を介して撮像素子５と接触する面積が広く確保されている。なお、温度センサ８としては、温度の変化に応じて抵抗値が変化する特性を有するサーミスタなどを使用することができる。
また、図１及び図２に示すように、撮像素子５及び信号処理チップ６のそれぞれの端部付近には、複数の電極パッド９，１０が設けられており、それぞれワイヤ１１のボンディングにより基板４に設けられた複数の電極パッド１２に電気的に接続されている。
なお、本実施形態では、信号処理チップ６の中心付近に１つの温度センサ８が組み込まれているが、図３に示すように、信号処理チップ６のうち撮像素子５の撮像エリアに対応する領域内に複数の温度センサ８を組み込んでもよい。このような構成により、撮像素子５の撮像エリアが広い場合でも、複数の温度センサ８でそれぞれの領域の温度を検出して撮像エリア内の温度検出の精度を上げることができる。
次に、図４に本実施形態に係る撮像装置１の機能的構成を示す。
撮像装置１はシステム制御部１３を備えている。システム制御部１３は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）、書き換え可能な半導体素子で構成されるＲＡＭ（Random Access Memory）及び不揮発性の半導体メモリで構成されるＲＯＭ（Read Only Memory）から構成されている。
また、システム制御部１３には撮像装置１の各構成部分が接続されており、システム制御部１３は、ＲＯＭに記録された処理プログラムをＲＡＭに展開してＣＰＵによりこの処理プログラムを実行することにより、これらの各構成部分を駆動制御するようになっている。
図４に示すように、システム制御部１３にはレンズユニット１４、絞り制御部１５、撮像素子５、温度センサ８、信号処理部１６及びタイミング生成部１７が接続されている。
レンズユニット１４は、被写体光像を撮像素子５の撮像面に結像する複数のレンズ及びそのレンズによって集光される光の量を調整する絞り部から構成されている。
絞り制御部１５は、レンズユニット１４においてレンズにより集光される光の量を調整する絞り部を駆動制御するようになっている。すなわち、システム制御部１３から入力される制御値に基づき、撮像素子５の撮像動作の開始直前に絞り部を開口させてから所定の露光時間の経過後に絞り部を閉塞させ、また、非撮像時は撮像素子５への入射光を制限することによって、入射光量を制御するようになっている。
撮像素子５は、被写体光像であるＲ，Ｇ，Ｂの各色成分の入射光を電気信号に光電変換して取り込むようになっている。本実施形態では、撮像素子５として、入射光量に応じて出力信号の線形領域及び対数領域が連続的に変化するリニアログセンサを用いている。
なお、本発明の撮像装置が備える撮像素子としては、温度特性を有する撮像素子であればよく、リニアログセンサのみならず、出力信号に線形領域を含まない撮像素子又は対数領域を含まない撮像素子であってもよい。
以下、本実施形態において使用する撮像素子５について説明する。
図５に示すように、撮像素子５は、行列配置（マトリクス配置）された複数の画素Ｇ11〜Ｇmn（但し、ｎ，ｍは１以上の整数）を有している。
各画素Ｇ11〜Ｇmnは、入射光を光電変換して電気信号を出力するものである。これら画素Ｇ11〜Ｇmnは、入射光量に応じた電気信号の変換動作の切り換えが可能となっており、より詳細には、入射光を電気信号に線形変換する線形変換動作と、対数変換する対数変換動作とを切り換えるようになっている。なお、本実施形態において、入射光を電気信号に線形変換や対数変換するとは、光量の時間積分値を線形的に変化するような電気信号に変換することや、対数的に変化するような電気信号に対数変換することである。
画素Ｇ11〜Ｇmnのレンズユニット１４側には、それぞれレッド（Red）、グリーン（Green）及びブルー（Blue）のうち何れか１色のフィルタ（図示せず）が配設されている。また、画素Ｇ11〜Ｇmnには、図５に示すように、電源ライン１８や信号印加ラインＬA1〜ＬAn，ＬB1〜ＬBn，ＬC1〜ＬCn、信号読出ラインＬD1〜ＬDmが接続されている。なお、画素Ｇ11〜Ｇmnには、クロックラインやバイアス供給ライン等のラインも接続されているが、図５ではこれらの図示を省略している。
信号印加ラインＬA1〜ＬAn，ＬB1〜ＬBn，ＬC1〜ＬCnは画素Ｇ11〜Ｇmnに対して信号φv，φVD，φVPS（図６，図７参照）を与えるようになっている。これら信号印加ラインＬA1〜ＬAn，ＬB1〜ＬBn，ＬC1〜ＬCnには、垂直走査回路１９が接続されている。この垂直走査回路１９は、タイミング生成部１７（図１参照）からの信号に基づいて信号印加ラインＬA1〜ＬAn，ＬB1〜ＬBn，ＬC1〜ＬCnに信号を印加するものであり、信号を印加する対象の信号印加ラインＬA1〜ＬAn，ＬB1〜ＬBn，ＬC1〜ＬCnをＸ方向に順次切り換えるようになっている。
信号読出ラインＬD1〜ＬDmには、各画素Ｇ11〜Ｇmnで生成された電気信号が導出されるようになっている。これら信号読出ラインＬD1〜ＬDmには、電気信号を増幅する定電流源Ｄ1〜Ｄmと、選択回路Ｓ1〜Ｓmとが接続されている。また、定電流源Ｄ1〜Ｄmの一端（図中下側の端部）には、直流電圧ＶPSが印加されるようになっている。
選択回路Ｓ1〜Ｓmは、各信号読出ラインＬD1〜ＬDmを介して画素Ｇ11〜Ｇmnから与えられるノイズ信号と撮像時の電気信号とをサンプルホールドするものである。これら選択回路Ｓ1〜Ｓmには、水平走査回路２０及び補正回路２１が接続されている。水平走査回路２０は、電気信号をサンプルホールドして補正回路２１に送信する選択回路Ｓ1〜Ｓmを、Ｙ方向に順次切り換えるものである。また、補正回路２１は、選択回路Ｓ1〜Ｓmから送信されるノイズ信号及び撮像時の電気信号に基づき、当該電気信号からノイズ信号を除去するものである。
なお、選択回路Ｓ1〜Ｓm及び補正回路２１としては、特開平２００１−２２３９４８号公報に開示のものを用いることができる。また、本実施の形態においては、選択回路Ｓ1〜Ｓmの全体に対して補正回路２１を１つのみ設けることとして説明するが、選択回路Ｓ1〜Ｓmのそれぞれに対して補正回路２１を１つずつ設けることとしても良い。
続いて、撮像素子５が備える画素Ｇ11〜Ｇmnについて説明する。
各画素Ｇ11〜Ｇmnは、図６に示すように、フォトダイオードＰ、トランジスタＴ1〜Ｔ6及びキャパシタＣを備えている。なお、トランジスタＴ1〜Ｔ6は、ＰチャネルのＭＯＳトランジスタである。
フォトダイオードＰには、レンズユニット１４を通過した光が当たるようになっている。このフォトダイオードＰのアノードＰAには直流電圧ＶPDが印加されており、カソードＰkにはトランジスタＴ1のドレインＴ1Dが接続されている。
トランジスタＴ1のゲートＴ1Gには信号φSが入力されるようになっており、ソースＴ1SにはトランジスタＴ2のゲートＴ2G及びドレインＴ2Dが接続されている。
このトランジスタＴ2のソースＴ2Sには、信号印加ラインＬC（図５のＬC1〜ＬCnに相当）が接続されており、この信号印加ラインＬCから信号φVPSが入力されるようになっている。ここで、図７に示すように、信号φVPSは２値の電圧信号であり、より詳細には、入射光量が所定入射光量ｔｈを超えたときにトランジスタＴ2をサブスレッショルド領域で動作させるための電圧値ＶＬと、トランジスタＴ2を導通状態にする電圧値ＶＨとの２つの値をとるようになっている。
また、トランジスタＴ1のソースＴ1SにはトランジスタＴ3のゲートＴ3Gが接続されている。
このトランジスタＴ3のドレインＴ3Dには、直流電圧ＶPDが印加されるようになっている。また、トランジスタＴ3のソースＴ3Sには、キャパシタＣの一端と、トランジスタＴ5のドレインＴ5Dと、トランジスタＴ4のゲートＴ4Gとが接続されている。
キャパシタＣの他端には、信号印加ラインＬB（図５のＬB1〜ＬBnに相当）が接続されており、この信号印加ラインＬBから信号φVDが与えられるようになっている。ここで、図７に示すように、信号φVDは３値の電圧信号であり、より詳細には、キャパシタＣを積分動作させる際の電圧値Ｖｈと、光電変換された電気信号読み出し時の電圧値Ｖｍと、ノイズ信号読み出し時の電圧値Ｖｌとの３つの値をとるようになっている。
トランジスタＴ5のソースＴ5Sには直流電圧ＶRGが、ゲートＴ5Gには信号φRSが入力されるようになっている。
トランジスタＴ4のドレインＴ4Dには、トランジスタＴ3のドレインＴ3Dと同様に直流電圧ＶPDが印加されるようになっており、ソースＴ4Sには、トランジスタＴ6のドレインＴ6Dが接続されている。
このトランジスタＴ6のソースＴ6Sには、信号読出ラインＬD（図５のＬD1〜ＬDmに相当）が接続されており、ゲートＴ6Gには、信号印加ラインＬA（図５のＬA1〜ＬAnに相当）から信号φVが入力されるようになっている。
このような回路構成をとることにより、各画素Ｇ11〜Ｇmnは以下のリセット動作を行うようになっている。
まず、図７に示すように、垂直走査回路１９が画素Ｇ11〜Ｇmnのリセット動作を行うようになっている。
具体的には、信号φSがＬｏｗ、信号φVがＨｉ、信号φVPSがＶＬ、信号φRSがＨｉ、信号φVDがＶｈとなっている状態から、垂直走査回路１９が、パルス信号φVと、電圧値Ｖｍのパルス信号φVDとを画素Ｇ11〜Ｇmnに与えて電気信号を信号読出ラインＬDに出力させた後、信号φSをＨｉとしてトランジスタＴ1をＯＦＦとするようになっている。
次に、垂直走査回路１９が信号φVPSをＶＨとすることで、トランジスタＴ2のゲートＴ2G及びドレインＴ2D、並びにトランジスタＴ3のゲートＴ3Gに蓄積された負の電荷を速やかに再結合させるようになっている。また、垂直走査回路１９が信号φRSをＬｏｗとしてトランジスタＴ5をＯＮにすることにより、キャパシタＣとトランジスタＴ4のゲートＴ4Gとの接続ノードの電圧を初期化するようになっている。
次に、垂直走査回路１９が信号φVPSをＶＬとすることで、トランジスタＴ2のポテンシャル状態を基の状態に戻した後、信号φRSをＨｉにして、トランジスタＴ5をＯＦＦにする。次に、キャパシタＣが積分動作を行うようになっている。これにより、キャパシタＣとトランジスタＴ4のゲートＴ4Gとの接続ノードの電圧が、リセットされたトランジスタＴ2のゲート電圧に応じたものとなる。
次に、垂直走査回路１９がパルス信号φVをトランジスタＴ6のゲートＴ6Gに与えることでトランジスタＴ6をＯＮにするとともに、電圧値Ｖｌのパルス信号φVDをキャパシタＣに印加するようになっている。このとき、トランジスタＴ4がソースフォロワ型のＭＯＳトランジスタとして動作するため、信号読出ラインＬDにはノイズ信号が電圧信号として現れる。
そして、垂直走査回路１９がパルス信号φRSをトランジスタＴ5のゲートＴ5Gに与えてキャパシタＣとトランジスタＴ4のゲートＴ4Gとの接続ノードの電圧をリセットした後、信号φSをＬｏｗにしてトランジスタＴ1をＯＮとするようになっている。これにより、リセット動作が完了し、画素Ｇ11〜Ｇmnが撮像可能状態となる。
また、各画素Ｇ11〜Ｇmnは以下の撮像動作を行うようになっている。
フォトダイオードＰより入射光量に応じた光電荷がトランジスタＴ2に流れ込むと、光電荷がトランジスタＴ2のゲートＴ2Gに蓄積されるようになっている。
ここで、被写体の輝度が低く、フォトダイオードＰに対する入射光量が前記所定入射光量ｔｈよりも少ない場合には、トランジスタＴ2はカットオフ状態であるので、トランジスタＴ2のゲートＴ2Gに蓄積された光電荷量に応じた電圧が当該ゲートＴ2Gに現れる。そのため、トランジスタＴ3のゲートＴ3Gには、入射光を線形変換した電圧が現れるようになっている。
一方、被写体の輝度が高く、フォトダイオードＰに対する入射光量が前記所定入射光量ｔｈよりも多い場合には、トランジスタＴ2がサブスレッショルド領域で動作を行うようになっている。そのため、トランジスタＴ3のゲートＴ3Gには、入射光を自然対数で対数変換した電圧が現れる。
なお、本実施の形態においては、画素Ｇ11〜Ｇmnの間で前記所定値の値は等しくなっている。
トランジスタＴ3のゲートＴ3Gに電圧が現れると、その電圧量に応じてキャパシタＣからトランジスタＴ3のドレインＴ3Dに流れる電流が増幅されるようになっている。そのため、トランジスタＴ4のゲートＴ4Gには、フォトダイオードＰの入射光を線形変換又は対数変換した電圧が現れる。
次に、垂直走査回路１９が信号φVDの電圧値をＶｍとするとともに、信号φVをＬｏｗとするようになっている。これにより、トランジスタＴ4のゲート電圧に応じたソース電流が、トランジスタＴ6を介して信号読出ラインＬDへ流れる。このとき、トランジスタＴ4がソースフォロワ型のＭＯＳトランジスタとして動作するため、信号読出ラインＬDには撮像時の電気信号が電圧信号として現れるようになっている。ここで、トランジスタＴ4，Ｔ6を介して出力される電気信号の信号値はトランジスタＴ4のゲート電圧に比例した値となるため、当該信号値はフォトダイオードＰの入射光を線形変換又は対数変換した値となる。
そして、垂直走査回路１９が信号φVDの電圧値をＶｈとするとともに、信号φVをＨｉとすることにより、撮像動作が終了するようになっている。
このように動作するとき、撮像時の信号φVPSの電圧値ＶＬが低くなり、リセット時の信号φVPSの電圧値ＶＨとの差を大きくするほど、トランジスタＴ2のゲート・ソース間におけるポテンシャル差が大きくなって、トランジスタＴ2がカットオフ状態で動作する被写体輝度の割合が大きくなる。したがって、電圧値ＶＬが低いほど、線形変換する被写体輝度の割合は大きくなり、電圧値ＶＬが高いほど、対数変換する被写体輝度の割合は大きくなる。このように、本実施形態に係る撮像素子５の出力信号は、入射光量に応じて線形領域及び対数領域が連続的に変化するようになっている。
このように動作する撮像素子５の画素Ｇ11〜Ｇmnに与える信号φVPSの電圧値ＶＬの値を切り換えることによって、ダイナミックレンジを切り換えることが可能となっている。すなわち、システム制御部１３が信号φVPSの電圧値ＶＬの値を切り換えることによって、画素Ｇ11〜Ｇmnの線形変換動作から対数変換動作に切り換わる変曲点を変更することができるようになっている。
なお、本実施形態では撮像時の信号φVPSの電圧値ＶＬを変更することで線形変換動作と対数変換動作とを切り換える構成としたが、リセット時の信号φVPSの電圧値ＶＨを変更することで線形変換動作と対数変換動作との変曲点を変更してもよい。更に、リセット時間を変更することで線形変換動作と対数変換動作との変曲点を変更してもよい。
また、本実施形態の撮像素子５は各画素にＲＧＢフィルタを備えるものとしたが、シアン（Cyan）、マゼンタ（Magenta）、イエロー（Yellow）など他の色フィルタを備えるものとしてもよい。
図４に戻り、温度センサ８は、撮像素子５における撮像エリアの温度を検出して、その検出結果をシステム制御部１３に送信するようになっている。
信号処理部１６は、アンプ２２、ＡＤコンバータ（ＡＤＣ）２３、黒基準補正部２４，ＬｏｇＬｉｎ変換部２５，ＡＥ・ＡＷＢ評価値検出部２６，ＡＷＢ制御部２７、色補間部２８、色補正部２９、階調変換部３０及び色空間変換部３１から構成されている。
このうち、アンプ２２は、撮像素子５から出力された電気信号を所定の規定レベルに増幅して撮影画像のレベル不足を補償するようになっている。
また、ＡＤコンバータ２３は、アンプ２２において増幅された電気信号をアナログ信号からデジタル信号に変換するようになっている。
また、黒基準補正部２４は、最低輝度値となる黒レベルを、基準値に補正するようになっている。すなわち、撮像素子５のばらつきにより黒レベルが異なるため、ＡＤコンバータ２３から出力されるＲＧＢ各信号の信号レベルに対して、黒レベルの基準となる信号レベルを減算することで黒基準補正を行うようになっている。
また、ＬｏｇＬｉｎ変換部２５は、撮像素子５の出力信号のうち、対数変換動作によって生成された電気信号を、入射光から線形変換された状態に変換するものである。すなわち、線形領域及び対数領域を含む出力信号のうち、対数領域の出力信号を線形化して、出力信号をすべて線形的に変化する電気信号とするものである。これにより、出力信号が線形領域及び対数領域の双方を含む場合と比較して、ＡＷＢなどの信号処理が容易となる。なお、本実施形態のＬｏｇＬｉｎ変換部２５はルックアップテーブルを用いて変換を行う構成となっているが、温度変化があるごとに演算によって変換を行う構成としてもよい。
また、ＡＥ・ＡＷＢ評価値検出部２６は、ＬｏｇＬｉｎ変換部２５で線形化された電気信号から、自動露出制御（ＡＥ）及び自動ホワイトバランス（ＡＷＢ）を行うためのそれぞれの評価値を検出するようになっている。
また、ＡＷＢ制御部２７は、黒基準補正後の電気信号から補正係数を算出することによって、撮像画像のＲ，Ｇ，Ｂの各色成分のレベル比（Ｒ／Ｇ，Ｂ／Ｇ）を調整して白色を正しく表示するようになっている。
また、色補間部２８は、撮像素子５の画素において得られる信号が原色のうち一つだけなので、各画素についてＲ，Ｇ，Ｂの各色成分値を求めることができるように、欠落する色成分を画素ごとに周囲の画素から補間する色補間処理を行うようになっている。
また、色補正部２９は、色補間部２８から入力する画像データの画素ごとの色成分値を補正して、各画素の色合いを調整した画像を生成するようになっている。
また、階調変換部３０は、画像を忠実に再現すべく、画像の入力から最終出力までにおいてガンマを１として理想階調再現特性を実現するために、画像の階調の応答特性を撮像装置１のガンマ値に応じた最適のカーブに補正するガンマ補正処理を行うようになっている。
また、色空間変換部３１は色空間をＲＧＢからＹＣｂＣｒに変換するようになっている。ＹＣｂＣｒは、輝度（Ｙ）信号と青の色差信号（Ｃｂ）と赤の色差信号（Ｃｒ）の２つの色度で色を表現する色空間の管理方法であり、色空間をＹＣｂＣｒに変換することにより、色差信号のみのデータ圧縮が行いやすくなる。
次に、タイミング生成部１７は、撮像素子５による撮影動作（露光に基づく電荷蓄積や蓄積電荷の読出しなど）を制御するようになっている。すなわち、システム制御部１３からの撮影制御信号に基づいて所定のタイミングパルス（画素駆動信号、水平同期信号、垂直同期信号、水平走査回路駆動信号、垂直走査回路駆動信号など）を生成して撮像素子５に出力するようになっている。また、タイミング生成部１７は、ＡＤ変換用のタイミング信号も生成するようになっている。
システム制御部１３は、温度センサ８から送信された撮像素子５の撮像エリアの温度検出結果に基づき、撮像エリアの温度変化に起因する撮像素子５の出力信号のばらつきを補正するようになっている。
撮像素子５の温度特性は回路構成によって異なるが、図８に、撮像エリアの各温度における撮像素子５の出力信号の例を示す。図８のグラフ（ａ）は常温時の出力信号を示すものである。図８は横軸が対数目盛となっており、高輝度領域である対数領域の出力信号が比例的に変化するグラフとなっている。また、グラフ（ｂ）は低温時の出力信号を示すものであり、グラフ（ａ）と比較すると、対数領域の傾きは減少し、線形領域の立ち上がりは大きくなっている。また、これに伴って対数領域と線形領域との境界である変曲点も変化している。一方、グラフ（ｃ）は高温時の出力信号を示すものであり、グラフ（ａ）と比較すると、対数領域の傾きは増加し、線形領域の立ち上がりは小さくなっている。また、これに伴って変曲点も変化している。
システム制御部１３は、このような撮像素子５の温度特性に基づき、撮像エリアの温度変化後の出力信号に所定の演算を行うことにより、撮像素子５の出力信号のばらつきを補正するようになっている。
すなわち、本実施形態のシステム制御部１３は、ＬｏｇＬｉｎ変換部２５が備えるルックアップテーブルにおける線形化後の出力信号に対し、温度変化に応じた所定の補正値を加算若しくは減算し又は所定の補正係数を乗算又は除算することによって、出力信号のばらつきを補正するようになっている。この補正値又は補正係数は、所定の温度における出力信号を予め測定することにより求めることができる。なお、同様の補正をルックアップテーブルによる変換を行う前の対数変換領域の出力信号に対して行ってもよい。
また、システム制御部１３による撮像素子５の出力信号の補正としては、対数領域の信号を線形化する際に行う補正のほか、線形領域の出力信号に対して所定の補正値又は補正係数による演算を行う補正や、変曲点の変更による補正などによって、撮像素子５の出力信号の特性に撮像エリアの温度変化が影響しないようにすることも考えられる。
次に、本実施形態の撮像装置１の作用について説明する。
撮像装置１の電源がＯＮとされると、温度センサ８は撮像素子５の撮像エリアの温度を検出してシステム制御部１３に送信する。
ここで、本実施形態に係る撮像装置１では、撮像素子５及び温度センサ８の組み込まれた信号処理チップ６を積層することにより、撮像装置１の構成部品を小型化すると共に、温度センサ８が接着層を介して撮像素子５と接触する面積を広く確保する。
なお、本実施形態では、信号処理チップ６の中心付近に１つの温度センサ８を組み込んでいるが、図３に示すように、信号処理チップ６のうち撮像素子５の撮像エリアに対応する領域内に複数の温度センサ８を組み込んでもよい。これにより、撮像素子５の撮像エリアが広い場合でも、複数の温度センサ８でそれぞれの領域の温度を検出して、撮像エリア内の温度検出の精度を上げることができる。
さらに、図３に示すように温度検出のバラツキが少なく正確な温度検出を行うために撮像素子５は撮像エリアに重なる部分に設けてある。
続いて、システム制御部１３は、温度センサ８から送信された撮像素子５の撮像エリアの温度検出結果に基づき、撮像エリアの温度変化に起因する撮像素子５の出力信号のばらつきを補正する。
本実施形態では、ＬｏｇＬｉｎ変換部２５が備えるルックアップテーブルにおける線形化後の出力信号に対し、温度変化に応じた所定の補正値を加算若しくは減算し又は所定の補正係数を乗算又は除算することによって、温度変化に起因する出力信号の変換誤差が生じないように補正を行う。なお、同様の補正をルックアップテーブルによる変換を行う前の対数変換領域の出力信号に対して行ってもよい。
ここで、複数の温度センサ８を用いる場合は、それぞれの温度センサ８で検出した温度の平均値を用いてＬｏｇＬｉｎ変換部２５の制御を行うことも可能である。また、撮像エリアが広く、かつ、それぞれの温度センサ８で検出した温度に所定値以上の温度差がある場合は、それぞれの温度センサ８に対応する位置の撮像エリアで撮像された電気信号に対し、それぞれの温度に基づいて補正を行うことも可能である。
次に、撮像素子５が撮像動作を開始すると、画素Ｇ１１〜Ｇｍｎにおいて光電変換された電荷がタイミング生成部１７から与えられるタイミング信号に従って走査され、入射光量が少ない場合は線形的に、入射光量が多い場合は対数的に変換された画像信号がアンプ２２に出力される。
そして、アンプ２２が画像信号を所定の規定レベルに増幅すると、ＡＤコンバータ２３は増幅された電気信号をアナログ信号からデジタル信号に変換する。更に、黒基準補正部２４は最低輝度値となる黒レベルを基準値に補正する。
続いて、ＬｏｇＬｉｎ変換部２５は、ルックアップテーブルを用いて対数領域の出力信号を入射光から線形変換された状態に変換する。このルックアップテーブルはシステム制御部１３により温度変化に応じて補正されていることから、温度変化に起因する誤差なく対数領域の出力信号を線形化することができる。
次に、ＡＥ・ＡＷＢ評価値検出部２６は、ＬｏｇＬｉｎ変換部２５で線形化された電気信号から、ＡＥ評価値及びＡＷＢ評価値を検出する。また、ＡＷＢ制御部２７はＡＷＢ処理を行う。
続いて、色補間部２８が、色補間処理を行うと、色補正部２９は、画像データの画素ごとの色成分値を補正する。また、階調変換部３０がガンマ補正処理を行うと、色空間変換部３１は色空間をＲＧＢからＹＣｂＣｒに変換する。
以上より本実施形態によれば、信号処理チップ６に温度センサ８を組み込むことから、撮像装置１の構成部品を最小限の大きさ寸法とすることができる。また、撮像素子５の出力信号の処理はすべて信号処理チップ６の中で行われるので、配線スペースを最小限とすることができる。また、温度センサ８を予め信号処理チップ６に組み込むことにより、これらを別部材として製造して設置する場合と比較して、撮像装置１の製造工程を簡単化することができる。また、撮像素子５と温度センサ８を組み込んだ信号処理チップ６とを積層することから、撮像装置１の構成部品を小型化することができると共に、温度センサ８と撮像素子５とが近接する面積を広く確保して、撮像素子５の温度を正確に検出することが可能となる。
特に、本実施形態では、入射光量に応じて入射光を対数変換又は線形変換するリニアログセンサを備えた撮像装置１において、温度センサの検出結果に基づき、温度変化に起因する出力信号のばらつきを補正することが可能となる。
また、温度センサ８と撮像素子５の撮像エリアとの物理的な距離が小さいことから、温度センサ８によって撮像エリアの温度を正確に検出することが可能となる。
また、温度センサ８が撮像素子５の撮像エリアの中心付近に近接する構成となっていることから、撮像素子５の撮像エリアのうち最も測定したい部分の温度を検出することが可能となる。
また、複数の温度センサ８を用いる場合は、撮像素子５の複数箇所の温度を検出することから、特に撮像素子５が広い面積を有する場合において、撮像素子５の全体の温度を正確に検出することが可能となる。
なお、本実施形態では撮像素子５として出力信号に対数領域及び線形領域を有するリニアログセンサを用いたが、本発明の撮像素子は温度特性を有する撮像素子であればよく、リニアログセンサ以外の撮像素子を用いる場合にも、撮像素子の出力信号について温度変化に応じた所定の補正値又は補正係数を用いた演算を行うことにより、温度変化に起因する出力信号のばらつきを補正することができる。また入射光量に応じて、（傾きの異なる）複数の線形変換特性を切換可能な撮像素子を備えた撮像装置において、温度変化に起因する線形変換特性の傾き変動や、切換え点変動を補正することができる。
（第２の実施形態）
本発明の第２の実施形態について、図９を参照して説明する。なお、第１の実施形態と同一部分には同一符号を付してその説明を省略し、第１の実施形態と異なる構成及びその作用について説明する。
撮像装置１が筐体２、レンズ３、基板４、撮像素子５及び信号処理チップ６を備えており、また、信号処理チップ６に温度センサ８が組み込まれている点は第１の実施形態と同様である。
ここで、図９に示すように、本実施形態の撮像素子５の端部付近には、電極パッド９に接続された配線を挿通するための複数の配線用孔３２が形成されている。また、信号処理チップ６の端部付近には、電極パッド１０に接続された配線を挿通するための複数の配線用孔３３が形成されている。
また、撮像素子５の後面側には、配線を信号処理チップ６の電極パッド１０に電気的に接続するためのバンプ電極３４が半田などによって形成されており、信号処理チップ６の後面側には、配線を基板４の電極パッド１２に電気的に接続するためのバンプ電極３５が半田などによって形成されている。
また、撮像素子５及び信号処理チップ６は、積層された状態で、ごく薄い接着層３６，３７によって接着されている。
なお、撮像装置１の機能的構成は第１の実施形態と同様である。
次に、本実施形態の撮像装置１の作用について説明する。
本実施形態に係る撮像装置１では、撮像素子５及び信号処理チップ６を積層した上で、撮像素子５の電極パッド９に接続した配線を配線用孔３２に挿通し、バンプ電極３４によって信号処理チップ６の電極パッド１０に電気的に接続する。また、電極パッド１０に接続した配線を配線用孔３３に挿通し、バンプ電極３５によって基板４の電極パッド１２に電気的に接続する。これにより、撮像素子５及び信号処理チップ６の配線は電気的に接続される。なお、撮像素子５及び信号処理チップ６は接着層３６，３７によって接着する。
以上より本実施形態によれば、ワイヤを用いることなく撮像素子５及び信号処理チップ６を電気的に接続できることから、配線スペースを最小限とすることができる。
また、撮像素子５及び信号処理チップ６の配線を配線用孔３２，３３にそれぞれ挿通することにより、配線の一部を撮像装置１の構成部品内に納めることができる。
以上述べたように本発明の撮像装置によれば、撮像装置の製造コストを削減できると共に、撮像装置全体の小型化を図ることができる。また、撮像エリアの温度を正確に検出して出力信号を補正することによって、撮像素子の温度特性に対する精密な温度補償を行うことが可能となる。
また、撮像素子としてリニアログセンサを用いる場合は、リニアログセンサの温度特性に対する温度補償を行うことが可能となる。
また、撮像エリアの温度を正確に検出して、撮像素子の温度特性に対するより精密な温度補償を行うことが可能となる。
また、撮像エリアのうち最も測定したい部分の温度を検出して、効果的な温度補償を行うことが可能となる。
また、複数の温度センサで撮像素子全体の温度を正確に検出して、撮像素子の温度特性に対するより精密な温度補償を行うことが可能となる。
また、バンプ電極により配線スペースを最小限として撮像装置の小型化を図ることができると共に、配線用孔により配線の一部を撮像装置の構成部品内に納めて撮像装置の小型化を図ることが可能となる。

Claims (10)

  1. 入射光を電気信号に変換する撮像素子と、
    前記撮像素子と積層して実装される信号処理チップと、
    前記撮像素子と前記信号処理チップとを積層した状態で前記撮像素子に近接するように前記信号処理チップに組み込まれた温度センサと、を備えることを特徴とする撮像装置。
  2. 前記温度センサの検出結果に基づいて温度変化に起因する前記撮像素子の出力信号のばらつきを補正する制御部を備えることを特徴とする請求の範囲第１項に記載の撮像装置。
  3. 前記撮像素子は入射光を電気信号に線形変換する線形変換動作と対数変換する対数変換動作とを入射光量に応じて切り換え可能な複数の画素を有することを特徴とする請求の範囲第１項又は第２項に記載の撮像装置。
  4. 前記撮像素子は、入射光量に応じて複数の線形変換特性を切換可能であり、温度変化に起因する線形変換特性の傾き変動や、切換え点変動を補正することができることを特徴とする請求の範囲第１項〜第３項のいずれか１項に記載の撮像装置。
  5. 前記温度センサは前記撮像素子と前記信号処理チップとを積層した状態で前記撮像素子の撮像エリアの後面側に近接するように組み込まれていることを特徴とする請求の範囲第１項〜第４項のいずれか１項に記載の撮像装置。
  6. １つの前記温度センサが前記撮像素子と前記信号処理チップとを積層した状態で前記撮像素子の撮像エリアの中心付近に近接するように前記信号処理チップに組み込まれていることを特徴とする請求の範囲第１項〜第５項のいずれか１項に記載の撮像装置。
  7. 前記温度センサは前記撮像素子の撮像エリアに重なる部分に設けてあることを特徴とする請求の範囲第１項〜第６項のいずれか１項に記載の撮像装置。
  8. 複数の前記温度センサが前記信号処理チップに組み込まれていることを特徴とする請求の範囲第１項〜第５項のいずれか１項に記載の撮像装置。
  9. 前記撮像素子及び前記信号処理チップはバンプ電極によって電気的に接続されていることを特徴とする請求の範囲第１項〜第８項のいずれか１項に記載の撮像装置。
  10. 前記撮像素子及び前記信号処理チップの端部周辺には配線を挿通するための複数の配線用孔がそれぞれ形成されていることを特徴とする請求の範囲第１項〜第９項いずれか１項に記載の撮像装置。
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