JP6693537B2 - 撮像素子および撮像装置 - Google Patents

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Description

本技術は、撮像素子および撮像装置に関する。詳しくは、光電変換部を積層した撮像素子および撮像装置に関する。
従来より、デジタルカメラやカムコーダなどの撮像装置において、画像を撮像するために撮像素子が用いられている。この撮像素子は、光を電気信号に変換する光電変換素子や、各種のトランジスタなどを備える。撮像素子に用いられる光電変換素子としては、フォトダイオードが広く知られている。このフォトダイオードを用いる撮像装置において、撮像素子を装置内に1つ配置する単板方式と、3つ配置する3板方式とがよく用いられている。
単板方式では、撮像素子の各画素の上に、R(Red)、G(Green)およびB(Blue)のいずれかの光のみを通すカラーフィルタがベイヤー配列により配列される。一方、3板方式では、3つの撮像素子とともに、R、GおよびBの光に分光するプリズムが配置され、Rの光が1つ目の撮像素子に導かれ、Gの光が2つ目の撮像素子に導かれ、Bの光が3つ目の撮像素子に導かれる。
上述の構成より、単板方式では、画素毎に、R、BおよびGのいずれかの情報を持つRAW画像データが得られる。この単板方式において、画素毎にR、GおよびBの全ての情報を持つフルカラー画像を生成するには、RAW画像データをフルカラー画像データに変換するデモザイク処理が必要となる。これに対して、3板方式では、デモザイク処理を行わずにフルカラー画像データが得られる。画質低下が生じるおそれのあるデモザイク処理が不要であるため、3板方式の方が高い画質の画像を得られるが、3つの撮像素子を配置する必要があるために撮像装置の小型化が困難である。
このように、フォトダイオードを用いる撮像素子では、撮像装置の小型化と画像の高画質化とを両立するのが困難であるが、近年、これらを両立するために、有機物質を含有する有機光電変換膜をフォトダイオードの代わりに用いる研究が盛んに行われている。
有機物質を用いると、R、GおよびBのいずれかの光のみを電気信号に変換し、それ以外の光を透過する光電変換膜を実現することができる。例えば、Rの光のみを変換する有機光電変換膜と、Gの光のみを変換する有機光電変換膜と、Bの光のみを変換する有機光電変換膜とを画素ごとに積層した撮像素子が提案されている(例えば、特許文献1参照。)。この構成により、1つの撮像素子によって、デモザイク処理を行わずにフルカラー画像データを生成することができる。このため、撮像装置の小型化と、画像の高画質化とを両立することができる。
特開2007−104113号公報
しかしながら、上述の撮像素子では、撮像素子の光電変換率が低くなるおそれがある。上述の撮像素子において、3枚の光電変換膜のそれぞれは、光電変換する対象の波長域以外の光を透過するが、その透過率は100%に満たない。このため、光電変換膜を透過するたびに、透過した光の光量が小さくなる。例えば、1つの光電変換膜の透過率が80%の場合、3つの光電変換膜を透過することにより、透過した光の光量は、通過前の約0.5(≒0.8×0.8×0.8)倍に減衰してしまう。この光量の減衰により、上述の撮像素子では、光電変換率が低下する問題がある。
本技術はこのような状況に鑑みて生み出されたものであり、撮像素子の光電変換率を高くすることを目的とする。
本技術は、上述の問題点を解消するためになされたものであり、その第1の側面は、積層された複数の光電変換部と、上記複数の光電変換部から入射された光を上記複数の光電変換部の方向へ反射する入射光反射部とを具備する撮像素子である。これにより、複数の光電変換部から入射された光が、複数の光電変換部の方向へ反射されるという作用をもたらす。
また、この第1の側面において、上記複数の光電変換部のそれぞれは、互いに異なる波長域の光のうち一部の光を対象光として電気信号に変換して上記対象光以外の光を透過してもよい。これにより、互いに異なる波長域の光のうち一部の光が対象光として電気信号に変換され、対象光以外の光が透過されるという作用をもたらす。
また、この第1の側面において、上記複数の光電変換部の中の隣接する2つの光電変換部の間に配置されて上記2つの光電変換部のうち上記入射光反射部から遠い方の遠方光電変換部に対応する波長域の光を反射光として上記遠方電変換部の方向へ反射して上記反射光以外の光を透過する光電変換部間反射部をさらに具備してもよい。これにより、遠方光電変換部に対応する波長域の光が反射光として遠方電変換部の方向へ反射され、反射光以外の光が透過されるという作用をもたらす。
また、この第1の側面において、上記入射光反射部は、当該入射光反射部に最も近い上記光電変換部に対応する波長域の光を反射してもよい。これにより、入射光反射部に最も近い上記光電変換部に対応する波長域の光が反射されるという作用をもたらす。
また、この第1の側面において、上記積層された複数の光電変換部は、複数の画素のそれぞれに配置され、上記複数の光電変換部は、上記画素毎に上記電気信号を複数の色のそれぞれの輝度を示す画素信号として出力してもよい。これにより、複数の色のそれぞれの輝度を示す画素信号が出力されるという作用をもたらす。
また、この第1の側面において、隣接する所定数の上記画素から出力された上記画素信号を加算する画素加算部をさらに具備してもよい。これにより、隣接する所定数の上記画素から出力された画素信号が加算されるという作用をもたらす。
また、この第1の側面において、上記画素信号からなる画像を符号化する符号化部をさらに具備してもよい。これにより、画素信号からなる画像が符号化されるという作用をもたらす。
また、この第1の側面において、上記入射光反射部は、反射率が所定値より高い材料を含有してもよい。これにより、入射光反射部の反射率が所定値より高くなるという作用をもたらす。
また、この第1の側面において、上記入射光反射部は、上記材料としてグアニンを含有してもよい。これにより、グアニンを含有する入射光反射部により光が反射されるという作用をもたらす。
また、この第1の側面において、上記入射光反射部は、上記材料としてアルミを含有してもよい。これにより、アルミを含有する入射光反射部により光が反射されるという作用をもたらす。
また、本技術の第2の側面は、積層された複数の光電変換部と、上記複数の光電変換部から入射された光を上記複数の光電変換部の方向へ反射する入射光反射部と、上記複数の光電変換部により光から変換された電気信号からなる画像を記憶する記憶部とを具備する撮像装置である。これにより、複数の光電変換部から入射された光が、複数の光電変換部の方向へ反射されるという作用をもたらす。
本技術によれば、撮像素子の感度を高くすることができるという優れた効果を奏し得る。なお、ここに記載された効果は必ずしも限定されるものではなく、本開示中に記載されたいずれかの効果であってもよい。
第1の実施の形態における撮像装置の一構成例を示すブロック図である。 第1の実施の形態における撮像素子の一構成例を示すブロック図である。 第1の実施の形態における水平方向または垂直方向に沿った画素アレイ部の断面図の一例である。 第1の実施の形態における光電変換層の斜視図の一例である。 第1の実施の形態におけるタペータムについて説明するための図である。 第1の実施の形態におけるグアニンの分子式を示す図である。 第1の実施の形態における正反射性材料および拡散性材料の一例を示す表である。 第1の実施の形態における拡散性材料の一例を示す表である。 第1の実施の形態における画像の圧縮単位の一例を示す図である。 第1の変形例における分割した成分の一例を示す図である。 第1の変形例における圧縮単位の一例を示す図である。 第1の変形例における画像の分割方法を説明するための図である。 第1の変形例における画像の圧縮方法を説明するための図である。 第2の変形例における撮像装置の一構成例を示すブロック図である。 第2の変形例における撮像素子の一構成例を示すブロック図である。 第2の実施の形態における光電変換層の斜視図の一例である。 第3の実施の形態における撮像装置の一構成例を示すブロック図である。 第3の実施の形態における撮像素子の一構成例を示すブロック図である。 第3の実施の形態における画素アレイ部の断面図の一例である。
以下、本技術を実施するための形態(以下、実施の形態と称する)について説明する。説明は以下の順序により行う。
1.第1の実施の形態(積層した複数の光電変換膜と反射膜とを撮像素子に設けた例)
2.第2の実施の形態(積層した複数の光電変換膜を設け、光電変換膜ごとに反射膜を撮像素子に設けた例)
3.第3の実施の形態(積層した複数の光電変換膜と反射膜と符号化部とを撮像素子に設けた例)
4.変形例
<1.第1の実施の形態>
[撮像装置の構成例]
図1は、第1の実施の形態における撮像装置100の一構成例を示すブロック図である。この撮像装置100は、撮像レンズ110、光学LPF111、色補正フィルタ112、撮像素子200、AD変換部113、画像圧縮部114、符号量計算部115、圧縮率決定部116および符号化ストリーム記憶部117を備える。
撮像レンズ110は、ユーザーによる操作に従ってズーム倍率や絞りを可変して撮像素子200に入射光を集光するものである。光学LPF111は、撮像レンズ110を通過した入射光において、モアレと呼ばれる干渉縞の発生を抑制するものである。色補正フィルタ112は、光学LPF111を通過した入射光において、通過させる波長域を制御して、入射光の色温度を補正するものである。
撮像素子200は、撮像レンズ110からの入射光を電気信号に変換するものである。この撮像素子200は、複数の画素を備え、画素毎に生成した電気信号を画素信号としてAD変換部113に供給する。AD変換部113は、撮像素子200からのアナログの画素信号のそれぞれをデジタルの画素データに変換するものである。AD変換部113は、複数の画素データからなる画像データを画像圧縮部114に信号線209を介して供給する。
画像圧縮部114は、圧縮率決定部116により決定された圧縮率により、画像データを圧縮するものである。画像圧縮部114は、例えば、画像データをk(kは、整数)個のブロックに分割し、ブロックごとに圧縮を行う。それぞれのブロックの圧縮は、例えば、離散コサイン変換により行われる。画像圧縮部114は、ブロックを圧縮するたびに、圧縮したデータを符号化データとして符号量計算部115および符号化ストリーム記憶部117に供給する。1枚の画像データはk個に分割されるため、画像データごとに、k個の符号化データが供給される。
符号量計算部115は、ブロック当たりの符号量を算出するものである。この符号量計算部115は、複数の符号化データからブロック当たりの符号量を求める。例えば、符号量計算部115は、所定個数の符号化データのデータサイズの平均値などを、ブロック当たりの符号量として算出する。符号量計算部115は、算出した符号量を圧縮率決定部116に供給する。
圧縮率決定部116は、画像データの圧縮率を決定するものである。この圧縮率決定部116は、例えば、ブロック当たりの符号量に基づいて、フレーム当たりの符号量が目標値となるように圧縮率を決定する。圧縮率決定部116は、決定した圧縮率を画像圧縮部114に供給する。
符号化ストリーム記憶部117は、符号化データからなる符号化ストリームを記憶するものである。なお、符号化ストリーム記憶部117は、特許請求の範囲に記載の記憶部の一例である。
[撮像素子の構成例]
図2は、第1の実施の形態における撮像素子200の一構成例を示すブロック図である。この撮像素子200は、タイミング制御回路210と、行走査回路220と、画素アレイ部230と、複数の列選択スイッチ260と、列走査回路270とを備える。
タイミング制御回路210は、行および列の走査のタイミングを制御するものである。ここで、行は画素アレイ部230においてある一方向に複数の画素が配列されたものであり、列は画素アレイ部230において行と直交する方向に複数の画素が配列されたものである。以下、行に対して平行な方向を「水平方向」と称し、列に対して平行な方向を「垂直方向」と称する。
このタイミング制御回路210は、1枚の画像を撮像するための撮像期間の開始時に、行を走査するタイミングを指示するタイミング信号Tcを生成して行走査回路220に供給する。また、タイミング制御回路210は、撮像期間内の行の選択のタイミングに同期して、列のタイミングを指示するタイミング信号Trを生成して列走査回路270に供給する。
行走査回路220は、タイミング信号Tcに従って、行の各々を選択するものである。この行走査回路220は、タイミング信号Tcに従って、行選択信号を行の各々へ信号線229−1乃至229−n(nは、整数)を介して順に出力することにより行を選択する。
画素アレイ部230は、複数の画素231が2次元格子状に配列されたものである。画素アレイ部230において、n行、m(mは、整数)列が配列されるものとする。それぞれの画素231は、行選択信号が入力された場合に、受光量に応じた電位の画素信号を、信号線239−1乃至239−mのうちの対応する列の信号線を介して列選択スイッチ260へ出力する。ここで、画素信号は、赤色光の受光量に応じたR信号と、緑色光の受光量に応じたG信号と、青色光の受光量に応じたB信号とを含む。
列選択スイッチ260は、列走査回路270からの列選択信号に従って、画素アレイ部230における列と、信号線209との間の線路を開閉するものである。列選択スイッチ260は、列ごとに設けられる。それぞれの列選択スイッチ260は、2つの端子を有し、その一方は、信号線239−1乃至239−mのうちの対応する列の信号線に接続され、他方は信号線209に接続される。
列走査回路270は、タイミング信号Trに従って、列の各々を選択するものである。この列走査回路270は、タイミング信号Trに従って、列選択信号を列選択スイッチ260のそれぞれに順に出力することにより列を選択する。
[画素アレイ部の構成例]
図3は、第1の実施の形態における水平方向または垂直方向に沿った画素アレイ部230の断面図の一例である。画素アレイ部230には、撮像レンズ110からの光が入射される。この光の入射方向は、水平方向および水平方向に対して垂直な方向である。また、画素アレイ部230は、光軸に垂直な2つの平面を有し、その一方が、光を受光する受光面として用いられる。それぞれの画素231は、マイクロレンズ310および光電変換層320を備える。マイクロレンズ310は、受光面に配置される。また、撮像レンズ110への方向を上方向として、マイクロレンズ310の下部に光電変換層320が配置される。
マイクロレンズ310は、撮像レンズ110からの入射光を集光して光電変換層320に供給するものである。光電変換層320は、マイクロレンズ310を通過した入射光を電気信号に変換するものである。この光電変換層320は、変換した電気信号を画素信号として、信号線239−1乃至239−mのうちの対応する信号線を介して、列選択スイッチ260へ供給する。
[光電変換層の構成例]
図4は、第1の実施の形態における光電変換層320の斜視図の一例である。この光電変換層320は、有機光電変換膜321、323および325と、電荷読出し回路322、324および326と、有機反射膜327とを備える。有機反射膜327は、最下層に配置され、その上層に電荷読出し回路326が積層される。電荷読出し回路326の上層には有機光電変換膜325が積層される。また、有機光電変換膜325の上層には、電荷読出し回路324が積層され、その上層に有機光電変換膜323が積層される。また、有機光電変換膜323の上層には、電荷読出し回路322が積層され、その上層に有機光電変換膜321が積層される。
有機光電変換膜321、323および325は、互いに異なる波長域の光を電荷に変換し、それ以外の光を透過するものである。有機光電変換膜321は、青色の波長域の青色光を電荷に変換し、それ以外を透過する。また、有機光電変換膜323は、緑色の波長域の緑色光を電荷に変換し、それ以外を透過する。有機光電変換膜325は、赤色の波長域の赤色光を電荷に変換し、それ以外を透過する。ただし、有機光電変換膜321、323および325のそれぞれの光電変換率は100%に満たず、対応する波長域の光のうち一部の光しか光電変換することができないものとする。有機光電変換膜(321等)が光電変換することができなかった残りの光は、有機反射膜327により反射されて、再度、有機光電変換膜(321等)に入射される。
これらの有機光電変換膜321、323および325は、有機材料を用いて形成される。例えば、特開2012−4443号公報の図52に記載されている有機化合物が用いられる。この特許文献に例示されているように、青色光を変換する有機光電変換膜321は、BCzVBiなどを用いて形成される。また、緑色光を変換する有機光電変換膜323は、キナクリドンなどにより形成される。赤色光を変換する有機光電変換膜325は、ZnPcなどにより形成される。なお、特定の波長域の光を電荷に変換し、それ以外の光を透過する光電変換膜が得られるのであれば、これらの材料以外の有機材料や無機材料を用いてもよい。
なお、有機光電変換膜321、323および325のそれぞれは、特許請求の範囲に記載の光電変換部の一例である。
また、上層から、有機光電変換膜321、323および325の順に積層しているが、積層の順序は、この構成に限定されない。
電荷読出し回路322、324および326は、光電変換された電荷を読み出して、その電荷量に応じた電圧の電気信号を供給するものである。また、電荷読出し回路322、324および326は、全波長域の光を透過する。
電荷読出し回路322は、例えば、浮遊拡散(Floating Diffusion)層と複数のトランジスタとを備える。電荷読出し回路322は、行選択信号に従って、有機光電変換膜321から電荷を読み出して浮遊拡散層に蓄積する。そして、蓄積した電荷量に応じた電圧の電気信号をB信号として列選択スイッチ260に供給する。電荷読出し回路324および326の構成は、電荷読出し回路322と同様である。ただし、電荷読出し回路324は、有機光電変換膜323から電荷を読み出してG信号を供給し、電荷読出し回路326は、有機光電変換膜325から電荷を読み出してR信号を供給する。これらのR信号、G信号およびB信号を含む信号が画素信号として、画素231のそれぞれから出力される。
有機反射膜327は、有機光電変換膜321、323および325と電荷読出し回路322、324および326とを透過して入射された光を有機光電変換膜321、323および325の方向へ反射するものである。
なお、有機反射膜327は、特許請求の範囲に記載の入射光反射部の一例である。
有機反射膜327が、有機光電変換膜321、323および325に光を反射することにより、有機光電変換膜321、323および325のそれぞれは、上方からの入射光と下方からの反射光との両方を光電変換することができる。これにより、有機反射膜327を設けない構成と比較して、撮像素子200の光電変換率が向上する。これにより、撮像素子200の感度が高くなる。ここで、撮像素子200の感度を高くするには、光電変換率を高くする方法のほか、光電変換後に画素信号を電気的に増幅する方法がある。しかし、画素信号を増幅すると、一般に画素信号におけるノイズが増大して画質が低下してしまう。有機反射膜327を設けて光電変換率を高くすることにより、画素信号を増幅しなくても撮像素子200の感度を高くすることができる。このため、高画質化と高感度化とを両立することができる。
また、有機反射膜327は、生物模倣(バイオミメティクス)の技術を用いて生成することができる。バイオミメティクスは、自然の生産方法を模倣して化学的に合成した物質を生み出したり、生物の構造や動作メカニズムを模倣して物作りに応用したりする技術である。実際の応用例としては、サメの肌を模倣して作った高速の競泳水着や、カワセミの口からヒントを得た新幹線の先頭車両の形状など、挙げれば切りが無いと言われている。
ここで、猫やライオンなど、夜に獲物を捕獲する動物は、人間では暗くて見えない場所でも視覚が優れていると言われている。また、キンメダイは深海300乃至500メートルの海底近くに生息し、殆ど光が届かない場所でも餌を捕食して生活している。これは、これらの生物が、極度に暗視能力が優れた眼球の構造や機能を持っているからである。
これらの生物が、暗視カメラのような視力を有するのは、その生物の目の網膜の下に「タペータム」と呼ばれる組織があるためである。
図5は、第1の実施の形態におけるタペータムについて説明するための図である。同図は、猫の眼球の断面図の一例である。同図に示すように猫の眼球は、網膜411およびタペータム412を含む。
網膜411はカメラでいうフィルムに当り、瞳孔から入ってきた光が網膜に焦点を結んで、像を写し出す。瞳孔への方向を上方として、網膜411の下層には、タペータム412が配置される。このタペータム412は、反射板のような役割をしていて、一度網膜411を通り過ぎた光を反射して、もう一度網膜411に送り返す。僅かな光であってもタペータム412によって、その光を二度利用することができるため、猫は暗くても目が良く見えることになる。暗闇で猫の目がピカッと光るのも、入射光がタペータム412で反射されるからである。このタペータム412は、グアニンを主成分とする。
また、深海魚であるキンメダイも、光の利用効率を高めるために網膜の後部の、色素上皮細胞や脈絡膜層に、グアニン結晶などから構成されるタペータムを有する。キンメダイの眼が金色に見えるのはこのためである。通常の魚(真骨類)では色素上皮細胞にタペータムを持つが、サメやエイなどのタペータムは脈絡膜層にあり、眼球内のどの部位でも入射光と同じ方向に光を反射するようになっている。
図6は、第1の実施の形態におけるグアニンの分子式を示す図である。同図に示すように、タペータムに含有されるグアニンは、分子式がCO であり、核酸を構成する5種類の主な塩基のうちの一つでプリン塩基である。また、グアニンの分子量は151.13である。グアニンから誘導されるヌクレオシドはグアノシンである。有機化合物および無機化合物には、IUPAC(International Union of Pure and Applied Chemistry)命名法に従って、IUPAC名が与えられる。このグアニンのIUPAC名は、「2−アミノ−1,9-ジヒドロ−6H−プリン−6−ワン(2-amino-1,9-dihydro-6H-purin-6-one)」である。なお、ほかに互変異性として、1,7−、3,7−、または、3,9−ジヒドロ体を取ることができる。
また、グアニンは、DNA(DeoxyriboNucleic Acid)、あるいはRNA(RiboNucleic Acid)の二重鎖構造においてシトシンと3本の水素結合を介して塩基対を作っている。グアニンは、サケ科やタチウオ、サンマ等の魚類の銀白色部位を構成する主要成分でもある。
前述したようにグアニンは、光を反射する組織の主成分であるため、グアニンを有機反射膜327の有機材料として用いることにより、高い反射率の有機反射膜327を実現することができる。
なお、撮像素子200は、有機材料を含有する有機反射膜327を反射膜として用いているが、これに代えて無機材料を含有する無機反射膜を反射膜として用いてもよい。
図7および図8は、第1の実施の形態における高反射率の材料の一例を示す表である。同図に例示する各種の無機材料を用いて反射膜を作成することもできる。反射率は、例えば、90%以上であることが望ましい。特に、図7に示すようにアルミの反射率は、90乃至95%と比較的高く、また、アルミは薄膜にしやすい性質を持っている。したがって、グアニンの他、アルミが反射膜の材料として適している。
図9は、第1の実施の形態における画像の圧縮単位の一例を示す図である。同図に示すように、AD変換部113からの画像は、所定の形状の複数のブロックに分割される。ブロックの形状は、例えば、8×8画素の正方形である。
これらのブロックは、画像圧縮部114によって順に、圧縮(エンコード)される。ブロック単位のエンコード技術としては、JPEG(Joint Photographic Experts Group)やMPEG(Moving Picture Experts Group)などが用いられる。これらは、デジカメやカムコーダ、スマートフォン等に広く普及している国際規格である。JPEGやMPEGでは、離散コサイン変換により圧縮が行われる。また、画像圧縮部114は、この矩形ブロックをタイルとみなして、静止画国際規格のJPEG2000を用いたタイルベース符号化を行うこともできる。
また、前述したように、有機反射膜327を設けることにより、撮像素子200の感度を向上させている。これにより、撮像素子200が検出することができる光量の最小値と最大値との比率であるダイナミックレンジが、有機反射膜327を設けていない場合よりも広くなる。このため、画像圧縮部114は、JPEG2000など、広いダイナミックレンジに対応した圧縮方式により圧縮を行うことが望ましい。
このように、本技術の第1の実施の形態によれば、積層された複数の有機光電変換膜と、それらの光電変換膜から入射された光を反射する有機反射膜327とを撮像素子200が備えるため、有機光電変換膜は、反射された光も光電変換することができる。これにより、有機反射膜327を設けない場合と比較して、撮像素子200の光電変換率を高くすることができる。
[第1の変形例]
第1の実施の形態においては、撮像装置100は、離散コサイン変換により画像データをブロック単位で圧縮していたが、ブロック単位で圧縮すると、画像にブロックノイズが生じるおそれがある。ブロックノイズを防止するために、撮像装置100は、ブロッ単位でなく、ライン(行または列)単位で画像データを圧縮することもできる。第1の変形例は、画像データをライン単位で圧縮する点において第1の実施の形態と異なる。
第1の変形例の画像圧縮部114は、例えば、ウェーブレット変換により、画像データをライン単位で符号化する。ここで、ウェーブレット変換は、ローパスフィルタおよびハイパスフィルタを含むフィルタバンクを使用して、画像データを4つの成分に分割して符号化するものである。ここで、ローパスフィルタは、カットオフ周波数より低い周波数帯域を通過させるフィルタであり、ハイパスフィルタは、カットオフ周波数より高い周波数帯域を通過させるフィルタである。
図10は、第1の変形例における分割した成分の一例を示す図である。同図におけるaは、1回の分割により生成した4つのサブバンドの一例を示す図である。同図のaに示すように、1つの画像データから、LL成分501、HL成分502、LH成分503およびHH成分504のサブバンドが生成される。ここで、LL成分501は、ローパスフィルタに2回通過させることにより生成された成分である。HL成分502は、ハイパスフィルタを通過させた後にローパスフィルタを通過させることにより生成された成分である。LH成分503は、ローパスフィルタを通過させた後にハイパスフィルタを通過させることにより生成された成分である。HH成分504は、ハイパスフィルタに2回通過させることにより生成された成分である。
図10におけるbは、3回の分割により生成したサブバンドの一例を示す図である。同図のbに示すように、1回目の分割により、LL成分(不図示)、HL成分511、LH成分512、および、HH成分513が生成される。1回目に生成したLL成分の分割(すなわち、2回目の分割)により、LL成分(不図示)、HL成分514、LH成分515、および、HH成分516が生成される。2回目に生成したLL成分の分割(すなわち、3回目の分割)により、LL成分520、HL成分517、LH成分518、および、HH成分519が生成される。なお、画像データの分割回数は、1回や3回に限定されない。
図11は、第1の変形例における圧縮単位の一例を示す図である。同図において白抜きの長方形は、ラインバッファに保持される係数データを示す。このラインバッファに係数データが保持されるたびに、画像圧縮部114は、それらの係数データに対してウェーブレット変換を行う。
図12は、第1の変形例における画像の分割方法を説明するための図である。画像圧縮部114は、ラインバッファとフィルタバンクとを備える。画像圧縮部114は、画像データにおける水平ラインを順に所定数(例えば、9個)のラインバッファに保持させる。ラインバッファ内の9個の水平ラインにおいて、画像圧縮部114は、水平座標が同一の9画素を順に読み出して、それらの9画素をローパスフィルタに通過させることにより垂直L成分を生成する。また、画像圧縮部114は、それらの9画素にハイパスフィルタを通過させることにより垂直H成分を生成する。そして、画像圧縮部114は、垂直H成分にハイパスフィルタを通過させて垂直HH成分を生成し、その垂直H成分にローパスフィルタを通過させて垂直HL成分を生成する。また、画像圧縮部114は、垂直L成分にハイパスフィルタを通過させて垂直LH成分を生成し、その垂直L成分にローパスフィルタを通過させて垂直LL成分を生成する。このように、画像圧縮部114が画像データをラインごとにフィルタ処理することにより、4つのサブバンドが生成される。
図13は、第1の変形例における画像の圧縮方法を説明するための図である。画像圧縮部114は、図12に例示した分割方法を使用して、画像データをHH1、HL1、LH1およびLL1の4つのサブバンドに分割する。画像圧縮部114は、これらのうちHH1、HL1およびLH1の成分をエンコーダに入力して符号化データを生成する。
次に、画像圧縮部114は、1回目に用いたラインバッファの半分のサイズのラインバッファを用いて、LL1をHH2、HL2、LH2およびLL2の4つのサブバンドに分割する。画像圧縮部114は、これらのうちHH2、HL2およびLH2の成分をエンコーダに入力して符号化データを生成する。
そして、画像圧縮部114は、2回目に用いたラインバッファの半分のサイズのラインバッファを用いて、LL2をHH3、HL3、LH3およびLL3の4つのサブバンドに分割する。画像圧縮部114は、これらの成分をエンコーダに入力して符号化データを生成する。
このように、第1の変形例によれば、撮像装置100が、画像データをライン単位で符号化するため、ブロックノイズの発生を抑制することができる。
[第2の変形例]
第1の実施の形態では、有機反射膜327を設けることにより光電変換率を高くしていたが、複数の画素信号を加算する画素加算により、さらに光電変換率を高くすることができる。第2の変形例の撮像素子は、画素加算を行う点において第1の実施の形態と異なる。
[撮像素子の構成例]
図14は、第2の変形例における撮像装置100の一構成例を示すブロック図である。第2の変形例の撮像装置100は、撮像素子200およびAD変換部113の代わりに、撮像素子201を備える点において第1の実施の形態と異なる。撮像素子201は、画素ごとにアナログの画素信号を生成し、それらの画素信号をデジタルの画素データに変換して画像圧縮部114に供給する。
図15は、第2の変形例における撮像素子201の一構成例を示すブロック図である。この撮像素子201は、列選択スイッチ260の代わりにDA変換部240およびAD変換部250をさらに備える点において第1の実施の形態と異なる。AD変換部250は、列ごとに、AD変換器251を備える。それぞれのAD変換器251は、比較器252、加算回路253、転送スイッチ254およびメモリ255を備える。
DA変換部240は、タイミング制御回路210からの制御信号CS1に従って、クロックCLKに基づいてランプ波形の参照電圧Vrefを生成して比較器252のそれぞれに供給する。
第2の変形例のタイミング制御回路210は、DA変換部240を制御する制御信号CS1と、加算回路253を制御する制御信号CS2と、転送スイッチ254を制御する制御信号CS3と、クロック信号CLKとをさらに生成する。タイミング制御回路210は、制御信号CS1をDA変換部240に供給し、クロック信号CLKをDA変換部240と加算回路253のそれぞれとへ供給する。また、タイミング制御回路210は、制御信号CS2を加算回路253のそれぞれに供給し、制御信号CS3を転送スイッチ254のそれぞれに供給する。
比較器252は、対応する列からの画素信号の電圧と参照電圧Vrefとを比較するものである。比較器252は、比較結果を加算回路253に供給する。
加算回路253は、制御信号CS2に従って、隣接する複数の行の画素データを加算するものである。加算回路253は、例えば、カウンタにより実現される。制御信号CS2は、このカウンタのカウンタ値をリセットさせる信号と、デジタル値を増分または減分させる信号とを含む。タイミング制御回路210は、例えば、奇数行の走査タイミングにおいて、制御信号CS2によりカウンタ値をリセットさせ、偶数行の読出しが完了するまで、比較結果に基づいてカウンタ値を増分または減分させる。これにより、垂直方向に、隣接する2つの画素を加算する垂直画素加算が実現される。加算回路253は、加算した画素データを転送スイッチ254に供給する。
なお、加算回路253は、2画素を加算しているが、3画素以上を加算してもよい。また、撮像素子201は、垂直方向でなく水平方向に画素を加算してもよい。水平画素加算を行う場合には、加算回路253は、AD変換部250の外部に設けられ、メモリ255から読み出された画素データを加算する。また、加算回路253は、特許請求の範囲に記載の画素加算部の一例である。
転送スイッチ254は、制御信号CS3に従って、画素データをメモリ255に転送するものである。転送スイッチ254は2つの端子を有し、その一端が加算回路253に接続され、他端がメモリ255に接続される。また、制御信号CS3は、転送スイッチ254の開閉を指示する信号を含む。タイミング制御回路210は、例えば、加算回路253のカウント動作が完了したときに転送スイッチ254を閉状態に制御し、そうでない場合には開状態に制御する。
メモリ255は、画素データを保持するものである。第2の変形例の列走査回路270は、列走査信号によりメモリ255を順に選択して、保持された画素データを順に出力させる。
なお、撮像素子201は、デジタルの画素データを加算しているが、A/D(Analog to Digital)変換前のアナログの画素信号を加算してもよい。アナログの画素信号を加算する方法としては、特開2010−183040号公報に記載されているように、複数の画素で浮遊拡散(Floating Diffusion)層を共有し、各画素で光電変換された電荷を、その浮遊拡散層で加算するFD加算がある。また、FD加算の他、ソースフォロワー加算が知られている。このソースフォロワー加算では、特許第5251412号に記載されているように画素アレイ部230からの信号線239−1乃至239−mに負荷MOS(Metal-Oxide-Semiconductor)回路が設けられる。そして、その負荷MOS回路が、アナログの画素信号を加算する。
このように、第2の変形例によれば、撮像素子201は、隣接する複数の画素の画素信号を加算するため、撮像素子201の光電変換率をさらに向上させることができる。
<2.第2の実施の形態>
[光電変換層の構成例]
第1の実施の形態では、光電変換層320の最下層に有機反射膜327を設けていたが、有機光電変換膜321および323の間と、有機光電変換膜323および325の間とにさらに反射膜を設けてもよい。第2の実施の形態の撮像素子200は、有機光電変換膜の間にさらに反射膜を設けた点において第1の実施の形態と異なる。
図16は、第2の実施の形態における光電変換層320の斜視図の一例である。第2の実施の形態の光電変換層320は、有機反射膜327の代わりに有機反射膜331、332および333を備える点において第1の実施の形態と異なる。
有機反射膜331、332および333は、その上層の有機光電変換膜のうち最も近い有機光電変換膜に対応する波長域の光を反射し、それ以外の光を透過するものである。有機反射膜331は、電荷読出し回路322および有機光電変換膜323の間に配置され、その上層の有機光電変換膜321に対応する青色光を有機光電変換膜321の方向へ反射し、それ以外の光を透過する。
また、有機反射膜332は、電荷読出し回路324および有機光電変換膜325の間に配置され、その上層の有機光電変換膜のうち最も近い有機光電変換膜323に対応する緑色光を有機光電変換膜323の方向へ反射し、それ以外の光を透過する。また、有機反射膜333は、最下層に配置され、その上層の有機光電変換膜のうち最も近い有機光電変換膜325に対応する赤色光を有機光電変換膜321の方向へ反射し、それ以外の光を透過する。
有機光電変換膜321において光電変換することができなかった青色光を、その下層の有機反射膜331が有機光電変換膜321の方向へ反射する。このため、有機光電変換膜321は、上方からの入射光と、下方からの反射光との両方を光電変換することができる。
ここで、第1の実施の形態では、有機光電変換膜321を通過した青色光は、有機光電変換膜323および325のそれぞれを2回ずつ通過して、再度、有機光電変換膜321に到達していたが、第2の実施の形態では、これらの層を通過しない。また、第1の実施の形態では、青色光は、電荷読出し回路322、324および326をそれぞれ2回ずつ通過して、再度、有機光電変換膜321に到達していたが、第2の実施の形態では、青色光は、電荷読出し回路322のみを2回通過する。このように、第2の実施の形態では青色光が、通過する層が少なくなるため、それらの層を通過することによる光量の減衰量が少なくなる。したがって、第1の実施の形態と比較して青色光の反射光の光量が大きくなる。緑色光の反射光についても同様の理由により光量が大きくなる。
なお、有機反射膜331および333は、特許請求の範囲に記載の光電変換部間反射膜の一例である。また、有機光電変換膜321および323の間と、有機光電変換膜323および325の間との両方に反射膜を設けているが、いずれか一方にのみ反射膜を設けてもよい。
また、最下層の有機反射膜333は、特定の波長域の光のみを反射する構成としているが、全ての波長域の光を反射する構成としてもよい。
このように、第2の実施の形態によれば、隣接する2つの有機光電変換膜の間に、それらのうち上層の方の光電変換膜に対応する波長域の光を反射する反射膜を設けたため、有機光電変換膜は、反射された光も光電変換することができる。これにより、反射光の減衰量が少なくなり、光電変換率がさらに向上する。
<3.第3の実施の形態>
[撮像装置の構成例]
第1の実施の意形態では、撮像装置100は、画像の符号化を行う回路、具体的には、AD変換部113、画像圧縮部114、符号量計算部115および圧縮率決定部116を撮像素子200の外部に設けていた。しかし、これらの回路を撮像素子200の内部に設けてもよい。第3の実施の形態の撮像装置100は、撮像素子内に、画像の符号化を行う回路をさらに設けた点において第1の実施の形態と異なる。
図17は、第3の実施の形態における撮像装置100の一構成例を示すブロック図である。第3の実施の形態の撮像装置100は、撮像素子200、AD変換部113、画像圧縮部114、符号量計算部115および圧縮率決定部116の代わりに撮像素子202を備える点において第1の実施の形態と異なる。
撮像素子202は、画素ごとに画素信号を生成し、それらの画素信号からなる画像を符号化して符号化データを生成して符号化ストリーム記憶部117に供給する。
[撮像素子の構成例]
図18は、第3の実施の形態における撮像素子202の一構成例を示すブロック図である。この撮像素子202は、列選択スイッチ260および列走査回路270を備えない点において第1の実施の形態と異なる。また、第3の実施の形態の画素アレイ部230において、各画素の下層には、図18において後述する符号化部232が配置される。この符号化部232が、符号化データを生成して符号化ストリーム記憶部117に供給する。
[画素アレイ部の構成例]
図19は、第3の実施の形態における画素アレイ部230の断面図の一例である。画素アレイ部230は、符号化部232をさらに具備する。この符号化部232は、画素アレイ部230において受光面と対向する面に配置され、その符号化部232の上層に画素231のそれぞれが配置される。
画素231のそれぞれは、画素信号を生成し、符号化部232に出力する。
符号化部232は、画素信号のそれぞれをデジタルの画素データに変換し、それらの画素データからなる画像データを符号化するものである。
AD変換部113、画像圧縮部114、符号量計算部115および圧縮率決定部116の各機能を実現する回路である符号化部232を、撮像素子202の内部に全て配置したため、撮像装置100を大幅にダウンサイズすることができる。また、撮像装置100の消費電力を低減することができる。
さらに、符号化部232は、光電変換層320からの画素信号を直ちにエンコードすることができるので、非常に高速なエンコード処理が可能になる。また、撮像から画像のエンコードまでの一連の処理をオールワンチップで実現することができる。
このように、第3の実施の形態によれば、撮像素子202は、画像を符号化する符号化部232をさらに備えるため、撮像装置100を小型化することができる。また、撮像装置100の消費電力を低減することができる。
なお、上述の実施の形態は本技術を具現化するための一例を示したものであり、実施の形態における事項と、特許請求の範囲における発明特定事項とはそれぞれ対応関係を有する。同様に、特許請求の範囲における発明特定事項と、これと同一名称を付した本技術の実施の形態における事項とはそれぞれ対応関係を有する。ただし、本技術は実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において実施の形態に種々の変形を施すことにより具現化することができる。
また、上述の実施の形態において説明した処理手順は、これら一連の手順を有する方法として捉えてもよく、また、これら一連の手順をコンピュータに実行させるためのプログラム乃至そのプログラムを記憶する記録媒体として捉えてもよい。この記録媒体として、例えば、CD(Compact Disc)、MD(MiniDisc)、DVD(Digital Versatile Disc)、メモリカード、ブルーレイディスク(Blu-ray(登録商標)Disc)等を用いることができる。
なお、ここに記載された効果は必ずしも限定されるものではなく、本開示中に記載されたいずれかの効果であってもよい。
なお、本技術は以下のような構成もとることができる。
(1)積層された複数の光電変換部と、
前記複数の光電変換部から入射された光を前記複数の光電変換部の方向へ反射する入射光反射部と
を具備する撮像素子。
(2)前記複数の光電変換部のそれぞれは、互いに異なる波長域の光のうち一部の光を対象光として電気信号に変換して前記対象光以外の光を透過する前記(1)記載の撮像素子。
(3)前記複数の光電変換部の中の隣接する2つの光電変換部の間に配置されて前記2つの光電変換部のうち前記入射光反射部から遠い方の遠方光電変換部に対応する波長域の光を反射光として前記遠方電変換部の方向へ反射して前記反射光以外の光を透過する光電変換部間反射部をさらに具備する
前記(2)記載の撮像素子。
(4)前記入射光反射部は、当該入射光反射部に最も近い前記光電変換部に対応する波長域の光を反射する前記(2)または(3)記載の撮像素子。
(5)前記積層された複数の光電変換部は、複数の画素のそれぞれに配置され、
前記複数の光電変換部は、前記画素毎に前記電気信号を複数の色のそれぞれの輝度を示す画素信号として出力する前記(2)から(4)のいずれかに記載の撮像素子。
(6)隣接する所定数の前記画素から出力された前記画素信号を加算する画素加算部をさらに具備する前記(5)記載の撮像素子。
(7)前記画素信号からなる画像を符号化する符号化部をさらに具備する前記(5)または(6)に記載の撮像素子。
(8)前記入射光反射部は、反射率が所定値より高い材料を含有する前記(1)から(7)のいずれかに記載の撮像素子。
(9)前記入射光反射部は、前記材料としてグアニンを含有する前記(8)記載の撮像素子。
(10)前記入射光反射部は、前記材料としてアルミを含有する前記(8)記載の撮像素子。
(11)積層された複数の光電変換部と、
前記複数の光電変換部から入射された光を前記複数の光電変換部の方向へ反射する入射光反射部と、
前記複数の光電変換部により光から変換された電気信号からなる画像を記憶する記憶部と
を具備する撮像装置。
100 撮像装置
110 撮像レンズ
111 光学LPF
112 色補正フィルタ
113 AD変換部
114 画像圧縮部
115 符号量計算部
116 圧縮率決定部
117 符号化ストリーム計算部
200、201、202 撮像素子
210 タイミング制御回路
220 行走査回路
230 画素アレイ部
231 画素
232 符号化部
240 DA変換部
250 AD変換部
251 AD変換器
252 比較器
253 加算回路
254 転送スイッチ
255 メモリ
260 列選択スイッチ
270 列走査回路
310 マイクロレンズ
320 光電変換層
321、323、325 有機光電変換膜
322、324、326 電荷読出し回路
327、331、332、333 有機反射膜

Claims (15)

  1. 第1の波長帯域の光を光電変換する第1の有機光電変換部と、
    複数のトランジスタを有し、前記第1の有機光電変換部に接続された第1の電荷読出し回路部と、
    前記第1の電荷読出し回路部に積層され、第2の波長帯域の光を光電変換する第2の有機光電変換部と、
    複数のトランジスタを有し、前記第2の有機光電変換部に接続された第2の電荷読出し回路部と、
    前記第2の電荷読出し回路部に積層され、第3の波長帯域の光を光電変換する第3の有機光電変換部と、
    複数のトランジスタを有し、前記第3の有機光電変換部に接続された第3の電荷読出し回路部と、
    前記第3の波長帯域の光を反射する第1の光反射部と
    を有し、
    前記第2の電荷読出し回路部と、前記第3の有機光電変換部との間に前記2の波長帯域の光を反射する第2の光反射部を有し、
    前記第1の電荷読出し回路部と、前記第2の有機光電変換部との間に前記第1の波長帯域の光を反射する第3の光反射部を有し、
    前記第1の電荷読出し回路部は、浮遊拡散層を有し、
    前記第1、第2および第3の光反射部は、有機材料を含んで形成された
    撮像素子。
  2. 前記第1の波長帯域の光は青色光であり、
    前記第2の波長帯域の光は緑色光であり、
    前記第3の波長帯域の光は赤色光である、
    請求項1に記載の撮像素子。
  3. 前記第1の有機光電変換部はBCzVBiを含んで形成された、
    請求項1または2に記載の撮像素子。
  4. 前記第2の有機光電変換部はキナクリドンを含んで形成された
    請求項1乃至3のいずれかに記載の撮像素子。
  5. 前記第3の有機光電変換部はZnPcを含んで形成された
    請求項1乃至4のいずれかに記載の撮像素子。
  6. 前記第1の光反射部は、前記第3の電荷読出し回路部に積層された
    請求項1乃至5のいずれかに記載の撮像素子。
  7. 前記第1の電荷読出し回路部は、前記第1の有機光電変換部と前記第2の有機光電変換部との間に形成された
    請求項1乃至6のいずれかに記載の撮像素子。
  8. 前記第2の電荷読出し回路部は、前記第2の有機光電変換部と前記第3の有機光電変換部との間に形成された
    請求項1乃至7のいずれかに記載の撮像素子。
  9. 前記第3の電荷読出し回路部は、前記第3の有機光電変換部と前記第1の光反射部との間に形成された
    請求項1乃至8のいずれかに記載の撮像素子。
  10. 前記第1の電荷読出し回路部は、第1の信号線を介してAD変換部に接続された
    請求項1乃至9のいずれかに記載の撮像素子。
  11. 前記第2の電荷読出し回路部は、第2の信号線を介してAD変換部に接続された
    請求項1乃至10のいずれかに記載の撮像素子。
  12. 前記第3の電荷読出し回路部は、第3の信号線を介してAD変換部に接続された
    請求項1乃至11のいずれかに記載の撮像素子。
  13. 前記AD変換部は、比較器と、加算回路と、転送スイッチと、メモリとを有する
    請求項10乃至12のいずれかに記載の撮像素子。
  14. 前記第1の有機光電変換部の光入射面側にマイクロレンズが形成された
    請求項1乃至13のいずれかに記載の撮像素子。
  15. 撮像レンズと、
    第1の波長帯域の光を光電変換する第1の有機光電変換部と、複数のトランジスタを有し、前記第1の有機光電変換部に接続された第1の電荷読出し回路部と、前記第1の電荷読出し回路部に積層され、第2の波長帯域の光を光電変換する第2の有機光電変換部と、複数のトランジスタを有し、前記第2の有機光電変換部に接続された第2の電荷読出し回路部と、前記第2の電荷読出し回路部に積層され、第3の波長帯域の光を光電変換する第3の有機光電変換部と、複数のトランジスタを有し、前記第3の有機光電変換部に接続された第3の電荷読出し回路部と、前記第3の波長帯域の光を反射する第1の光反射部とを備える撮像素子と、
    信号処理部と
    を有し、
    前記第2の電荷読出し回路部と、前記第3の有機光電変換部との間に前記2の波長帯域の光を反射する第2の光反射部を有し、
    前記第1の電荷読出し回路部と、前記第2の有機光電変換部との間に前記第1の波長帯域の光を反射する第3の光反射部を有し、
    前記第1の電荷読出し回路部は、浮遊拡散層を有し、
    前記第1、第2および第3の光反射部は、有機材料を含んで形成された
    撮像装置。
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