JP6597757B2 - 撮像装置 - Google Patents

Description

本発明は、撮像装置に関する。

従来、多数の撮像画素を二次元状に配列し被写体のデジタル画像データを得る撮像素子が知られている（例えば特許文献１）。

特開２００９−２６７９１２号公報

従来技術には、解像力を高めるため撮像画素を小さくすると、撮像画素ごとの受光面積が減少して感度が悪くなってしまうという問題があった。

第１の態様によると、撮像装置は、複数の画素が第１方向に配置される第１層と、前記第１層を透過した光を受光する複数の画像が前記第１方向に配置される第２層と、を有し、前記第１層と前記第２層にそれぞれ配置される複数の前記画素が、前記第１方向と交差する第２方向にずれて配置される撮像素子と、前記第１層に配置される画素から出力される信号と、前記第２層に配置される画素から出力される信号との差分から画像データを生成する生成部と、を備える。

本発明によれば、感度の向上と解像力の向上を両立させることができる。

本発明の第１の実施の形態に係る撮像装置の構成を模式的に示す断面図である。 撮像素子３の構成を示す断面図である。 撮像素子３の画素配列を示す上面図である。 ベイヤー配列のカラーフィルタを有する単板式の撮像素子の撮像面を模式的に示す平面図である。 ３層のフォトダイオードを積層した構成の撮像素子の撮像面を模式的に示す平面図である。 本実施形態の撮像素子３の撮像面を模式的に示した平面図である。 撮像素子３、５の周波数解像域を示す図である。

（第１の実施の形態）
図１は、本発明の第１の実施の形態に係る撮像装置の構成を模式的に示す断面図である。撮像装置１はいわゆる一眼レフレックス方式のデジタルカメラであり、撮像光学系２により結像された被写体像を、撮像素子３により撮像してデジタル画像データを作成する。

撮像素子３はＣＭＯＳイメージセンサである。撮像素子３の撮像面は長方形であり、長辺方向は水平方向（横方向）と略一致している。撮像素子３の撮像面の縦横比は、約２対３である。制御装置４は、撮像素子３により出力された撮像信号に種々の画像処理を施してデジタル画像データを作成する。

図２は、撮像素子３の構成を示す断面図である。撮像素子３は、３層のフォトダイオードを積層した構成を有している。撮像面の最も浅い位置にある第１層３１は、青に相当する波長域の光（青色光）と、緑に相当する波長域の光（緑色光）と、赤に相当する波長域の光（赤色光）とを光電変換する。次に浅い位置にある第２層３２は、緑に相当する波長域の光（緑色光）と、赤に相当する波長域の光（赤色光）とを光電変換する。最も深い位置にある第３層３３は、赤に相当する波長域の光（赤色光）のみを光電変換する。シリコン基板の内部へは波長が長い光ほどより深く進入するので、上記のようにフォトダイオードを積層することで、各色の光量を個別に検出することができる。

例えば緑色光の光量は、第２層３２により検出された光量から、第３層３３により検出された光量を引くことにより検出可能である。同様に、青色光の光量は、第１層３１により検出された光量から、第２層３２により検出された光量を引くことにより検出可能である。

図３は、撮像素子３の画素配列を示す上面図である。なお図３では、撮像領域（撮像面）に配列された撮像画素の一部のみを拡大して図示しており、実際には図３に示したよりも多数（例えば数百万以上）の撮像画素が撮像領域に配列されている。

撮像面に配列された複数の撮像画素３０は、それぞれ長方形状の受光面を有している。撮像画素３０の長辺方向は、撮影画面の長辺方向（すなわち撮像素子３の撮像領域の長辺方向）と略一致している。撮像画素３０の受光面の長辺は、短辺の約√２倍程度の長さを有している。複数の撮像画素３０は、奇数列３４と偶数列３５とで、撮像画素３０の水平方向における重心位置が異なっている。具体的には、偶数列３５に配列された撮像画素３０の重心位置は、奇数列３４に配列された撮像画素３０の重心位置から、０．５Ｌだけ水平方向にずれている。換言すると、撮像画素３０は千鳥配列されている。

以上のように構成された撮像素子３は、従来の撮像素子に比べて高い解像力を有する。以下、この点について、撮像面に正方形状の受光面を有する撮像画素が正方配列された従来の撮像素子と、本実施形態の撮像素子３とを比較して説明する。なお以下の説明では、従来の撮像素子として、ベイヤー配列のカラーフィルタを有する単板式の撮像素子と、本実施形態の撮像素子３と同様に３層のフォトダイオードを積層した構成の撮像素子とを挙げる。また、撮像画素の大きさについては、本実施形態の撮像素子３が有する撮像画素３０の縦方向の長さをＬとし、従来の撮像素子は、各辺が長さＬの撮像画素を有するものとして説明する。つまり、本実施形態の撮像素子３が有する撮像画素３０は、従来の撮像素子が有する撮像画素を横方向に引き延ばした形状を有するものとして説明する。

図４は、ベイヤー配列のカラーフィルタを有する単板式の撮像素子の撮像面を模式的に示す平面図である。図４に図示した撮像素子５の撮像面には、赤色のカラーフィルタを有する赤色画素５０Ｒと、緑色のカラーフィルタを有する緑色画素５０Ｇと、青色のカラーフィルタを有する青色画素５０Ｂとが複数配列されている。

よく知られているように、ベイヤー配列においては、緑色画素５０Ｇの数が、赤色画素５０Ｒの数および青色画素５０Ｂの数よりも多くなっている。従って、ベイヤー配列を採用する撮像素子５の解像度は、緑色光と、赤色光および青色光とで分けて考える必要がある。

まず、緑色光に対する解像度について検討する。図４（ａ）に示すように、緑色画素５０Ｇは、横方向にＬの間隔で配列されている。縦方向についても同様に、緑色画素５０Ｇの配列間隔はＬである。斜め４５度方向について見ると、緑色画素５０Ｇは、（√２）×Ｌ（約１．４Ｌ）の間隔で配列されている。つまり緑色画素５０Ｇは、垂直方向および水平方向に伸びる白黒の直線を、白の直線と黒の直線の間隔がＬ以上であれば解像できる。また、斜め４５度方向に伸びる白黒の直線を、白の直線と黒の直線の間隔が約１．４Ｌ以上であれば解像できる。

次に、赤色光に対する解像度について検討する。赤色画素５０Ｒは、緑色画素５０Ｇより疎に配置されているので、赤色光に対する解像度は緑色光の解像度よりも低い。図４（ｂ）に示すように、赤色画素５０Ｒは、横方向および縦方向に２Ｌの間隔で配列されている。また、斜め４５度方向について見ると、赤色画素５０Ｒは（√２）×Ｌ（約１．４Ｌ）の間隔で配列されている。つまり、撮像素子５の赤色光に対する解像度は、垂直方向および水平方向については緑色光の半分であり、斜め４５度方向については緑色光と同等である。

なお、青色光に対する解像度は赤色光の場合と同一であるので説明を省略する。

図５は、３層のフォトダイオードを積層した構成の撮像素子の撮像面を模式的に示す平面図である。図５に示した撮像素子６の撮像面には、赤色光、緑色光、青色光に感度を有する撮像画素６０が複数配列されている。個々の撮像画素６０の大きさが、図４に示した撮像素子５のそれと同一であるならば、撮像素子６の撮像出力から作成される画像の画素数は、図４に示した撮像素子５に比べて多くなる。

撮像画素６０は、横方向および縦方向にＬの間隔で、斜め４５度方向に（√２）／２×Ｌ（約０．７Ｌ）の間隔で配列されている。つまり撮像素子６の垂直方向および水平方向の解像度は、緑色光についてはベイヤー配列を採用する撮像素子５の解像度と同等であり、赤色光および青色光については撮像素子５の解像度よりも高い。また、斜め４５度方向の解像度は、どの色の光であっても、ベイヤー配列を採用する撮像素子５の解像度よりも高い。

図６は、本実施形態の撮像素子３の撮像面を模式的に示した平面図である。複数の撮像画素３０の受光面は、それぞれ縦方向が短辺、横方向が長辺の長方形であり、縦方向の長さがＬ、横方向の長さが約（√２）×Ｌである。

撮像画素３０は、横方向に（√２）／２×Ｌ（約０．７Ｌ）の間隔で配列されている。また、縦方向にＬの間隔で、斜め４５度方向には（（√２）−１）／２×Ｌ（約０．２Ｌ）の間隔で、それぞれ配列されている。つまり撮像素子３は、垂直方向に伸びる白黒の直線を、白の直線と黒の直線の間隔が約０．７Ｌ以上であれば解像できる。また、水平方向に伸びる白黒の直線は白の直線と黒の直線の間隔がＬ以上であれば、斜め４５度方向に伸びる白黒の直線は白の直線と黒の直線の間隔が約０．２Ｌ以上であれば、それぞれ解像できる。

図７は、本実施形態の撮像素子３および従来の撮像素子５のサンプリング信号が持つ周波数解像域を示す図である。図７の横軸は水平方向において撮像素子３および撮像素子５が解像可能な周波数帯域を、図７の縦軸は垂直方向において撮像素子３および撮像素子５が解像可能な周波数帯域を、それぞれ示している。図７に示すように、従来の撮像素子５のナイキスト周波数７１は、水平方向および垂直方向に対称な形状になっているのに対し、本実施形態の撮像素子３のナイキスト周波数７２は、それを水平方向に引き延ばした形状になっている。つまり、本実施形態の撮像素子３は、従来の撮像素子５よりも水平方向および斜め方向の解像力が高い。

上述した第１の実施の形態による撮像素子によれば、次の作用効果が得られる。
（１）撮像素子３は、各々が長方形の受光面を有する複数の撮像画素３０を、長辺方向が水平方向と略一致するように二次元状に配列された撮像領域を備える。複数の撮像画素３０は、奇数列目と偶数列目とで、水平方向における重心位置が異なるように配列され、受光面の長辺の長さと短辺の長さとの比は１より大きく２より小さい約√２である。このようにしたので、感度の向上と解像力の向上を両立させることができる。感度の向上は、図４や図５に示した従来の撮像素子５、６に比べて、撮像画素ごとの受光面が大きいことによる。また解像力の向上は、図６に示した通り、横方向および斜め４５度方向において、従来より細かいピッチで撮像画素３０が存在することによる。

（２）撮像素子３の撮像領域は長方形であり、複数の撮像画素３０の長辺方向は、撮像領域の長辺方向と略一致する。このようにしたので、撮像領域の長辺方向について解像力が向上する。また、本実施形態において撮像領域の長辺方向は水平方向である。人間の目は横方向に２つ並んでいるので、撮影の際や撮影画像を鑑賞する際には、水平方向に解像度が高い方がより望ましい。

次のような変形も本発明の範囲内であり、変形例の一つ、もしくは複数を上述の実施形態と組み合わせることも可能である。

（変形例１）
本発明を適用する撮像素子は、ＣＭＯＳイメージセンサ以外のイメージセンサであってもよい。例えば特許文献１に記載された撮像素子のように、有機光電変換膜を用いたイメージセンサであってもよい。また、撮像素子は単板式でなくてもよい。例えばプリズム等で被写体光を赤色光、緑色光、青色光に分光して各色の光を当該光に対応する受光素子で受光する、いわゆる三板式の撮像素子にも本発明を適用することができる。

（変形例２）
撮像画素３０の短辺と長辺の比は、１：√２でなくてもよい。より具体的には、長辺の長さが、短辺に対し１より大きく２より小さい比率の長さであればよい。また、この比率は、撮像素子３の撮像領域の短辺と長辺の比と異なっていてよい。

（変形例３）
上述した実施形態において、撮像画素３０は水平方向（横方向）に長い受光面を有していたが、これを、垂直方向（縦方向）に長くしてもよい。また、撮像素子３の撮像領域は、垂直方向（縦方向）に長い長方形であってもよいし、正方形であってもよい。撮像素子３の撮像領域が長方形の場合において、その長辺方向は撮像画素３０の長辺方向と一致していなくてもよい。

本発明の特徴を損なわない限り、本発明は上記実施の形態に限定されるものではなく、本発明の技術的思想の範囲内で考えられるその他の形態についても、本発明の範囲内に含まれる。

１…撮像装置、２…撮像光学系、３、５、６…撮像素子、４…制御装置、３０、６０…撮像画素、５０Ｒ…赤色画素、５０Ｇ…緑色画素、５０Ｂ…青色画素

Claims (8)

1. 複数の画素が第１方向に配置される第１層と、前記第１層を透過した光を受光する複数の画像が前記第１方向に配置される第２層と、を有し、前記第１層と前記第２層にそれぞれ配置される複数の前記画素が、前記第１方向と交差する第２方向にずれて配置される撮像素子と、
   前記第１層に配置される画素から出力される信号と、前記第２層に配置される画素から出力される信号との差分から画像データを生成する生成部と、を備える撮像装置。
2. 請求項１に記載の撮像装置において、
   複数の前記画素がそれぞれ有する受光面は、前記第２方向にずれて配置される撮像装置。
3. 請求項１または２に記載の撮像装置において、
   複数の前記画素がそれぞれ有する受光面の重心は、前記第２方向においてずれて配置される撮像装置。
4. 請求項１〜３のいずれか一項に記載の撮像装置において、
   複数の前記画素がそれぞれ有する受光面の重心は、前記第１方向において略一致して配置される撮像装置。
5. 請求項１〜４のいずれか一項に記載の撮像装置において、
   複数の前記画素は千鳥配置される撮像装置。
6. 請求項１〜５のいずれか一項に記載の撮像装置において、
   前記第１層に配置された前記画素は、第１波長と、前記第１波長と異なる第２波長とを含む光を受光し、
   前記第２層に配置された前記画素は、前記第２波長の光を受光する撮像装置。
7. 請求項１〜５のいずれか一項に記載の撮像装置において、
   前記撮像素子は、前記第２層を透過した光を受光する複数の画素が前記第１方向に配置される第３層を有し、
   前記生成部は、前記第１層に配置される画素から出力される信号と、前記第２層に配置される画素から出力される信号と、前記第３層に配置される画素から出力される信号との差分から画像データを生成する撮像装置。
8. 請求項７に記載の撮像装置において、
   前記第１層に配置された前記画素は、第１波長と、前記第１波長と異なる第２波長と、前記第１波長と前記第２波長と異なる第３波長とを含む光を受光し、
   前記第２層に配置された前記画素は、前記第２波長と前記第３波長とを含む光を受光し、
   前記第３層に配置された前記画素は、前記第３波長の光を受光する撮像装置。

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