WO2006129460A1

WO2006129460A1 - 撮像装置

Info

Publication number: WO2006129460A1
Application number: PCT/JP2006/309541
Authority: WO
Inventors: Jun Takayama
Original assignee: Konica Minolta Holdings, Inc.
Priority date: 2005-06-03
Filing date: 2006-05-12
Publication date: 2006-12-07
Also published as: US20090140125A1; JP4771092B2; CN101204085B; JPWO2006129460A1; CN101204085A

Abstract

本発明は、撮像素子の撮像エリアの温度を正確に検出して、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。この手段は撮像装置に、入射光を電気信号に変換する撮像素子５と、撮像素子５と積層して実装される信号処理チップ６と、撮像素子５と信号処理チップ６とを積層した状態で、撮像素子５に近接するように信号処理チップ６に組み込まれた温度センサ８と、を設けることを特徴とする。

Description

明細書

撮像装置

技術分野

[0001] 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。

背景技術

[0002] 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。

[0003] 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、る。

[0004] 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

[0005] 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。

[0006] 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、る。

特許文献 1 :特開平 7— 038019号公報

特許文献 2：特開平 7 - 270177号公報特許文献 3 :特開 2000— 162036号公報

発明の開示

発明が解決しょうとする課題

[0007] 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。

[0008] 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。

[0009] 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ぐ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

[0010] 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。

課題を解決するための手段

[0011] 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。

[0012] 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、配線スぺ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ィ匕することができる。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。

[0013] 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。

[0014] 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。

[0015] 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。

[0016] 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。

[0017] 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。

[0018] 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。

[0019] 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。

[0020] 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。

[0021] 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。

[0022] 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。

[0023] 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。

[0024] 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。

[0025] 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。

[0026] 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。

[0027] 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 [0028] 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

[0029] 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揷通することにより、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。

発明の効果

[0030] 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

[0031] 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。

[0032] 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。

[0033] 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。

[0034] 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。

[0035] 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。

[0036] 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。

[0037] 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。

[0038] 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。

図面の簡単な説明

[0039] [図 1]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。

[図 2]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。

[図 3]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。

[図 4]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。

[図 5]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。

[図 6]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。

[図 7]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ヤートである。

[図 8]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。

[図 9]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

[0040] 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

発明を実施するための最良の形態

[0041] (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。

[0042] 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、る。

[0043] 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、榭脂などを用いることが好ま U、。

[0044] 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。

[0045] 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 (V、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。

[0046] 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のボンデイングにより基板 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。

[0047] 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力図 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、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。

[0048] 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。

[0049] 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 (Centr al Processing Unit)、書き換え可能な半導体素子で構成される RAM (Random Acces s 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。

[0050] 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つている。

[0051] 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。

[0052] 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カゝら構成されている。 [0053] 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〖こよって、入射光量を制御するようになって!/、る。

[0054] 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つている。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。

[0055] 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ぐ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!/、撮像素子であってもよヽ。

[0056] 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。

[0057] 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 G

11

〜G (但し、 n, mは 1以上の整数）を有している。

mn

[0058] 各画素 G 〜G 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

11 mn

画素 G 〜G 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

11 mn

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つている。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。

[0059] 画素 G 〜G 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)

11 mn

及びブルー（Blue)のうち何れ力 1色のフィルタ（図示せず）が配設されている。また、画素 G 〜G には、図 5に示すように、電源ライン 18や信号印加ライン L 〜L , L

11 mn Al An Bl

〜L , L 〜L 、信号読出ライン L 〜L が接続されている。なお、画素 G 〜G

Bn CI Cn Dl Dm 11 mn 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！/、る。 [0060] 信号印加ライン L 〜L , L 〜L , L 〜L は画素 G 〜G に対して信号 φ , φ

Α1 An Β1 Βη CI Cn 11 mn v

, φ (図 6,図 7参照）を与えるようになつている。これら信号印加ライン L 〜L

VD

L 〜L , L 〜L 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

Bl Bn CI Cn

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力!]ライン L 〜L ,

Al An

L 〜L , L 〜L 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

Bl Bn CI Cn

イン L 〜L ， L 〜L ， L 〜L を X方向に順次切り換えるようになつている。

Al An Bl Bn CI Cn

[0061] 信号読出ライン L 〜L には、各画素 G 〜G で生成された電気信号が導出され

Dl Dm 11 mn

るようになっている。これら信号読出ライン L 〜L には、電気信号を増幅する定電

Dl Dm

流源 D〜Dと、選択回路 S〜Sとが接続されている。また、定電流源 D〜Dの一

m 1 m 1 m 端（図中下側の端部）には、直流電圧 V が印加されるようになっている。

PS

[0062] 選択回路 S〜Sは、各信号読出ライン L 〜L を介して画素 G 〜G 力与えら

1 m Dl Dm 11 mn 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 S〜S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

1 m

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 S〜

1

S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 S〜Sか m 1 m 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。

[0063] なお、選択回路 S〜S及び補正回路 21としては、特開平 2001— 223948号公報

1 m

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 S〜

1

S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 S m 1

〜S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。

m

[0064] 続いて、撮像素子 5が備える画素 G 〜G について説明する。

11 mn

[0065] 各画素 G 〜G は、図 6に示すように、フォトダイオード P、トランジスタ T〜T及び

11 mn 1 6 キャパシタ Cを備えている。なお、トランジスタ T〜Tは、 Ρチャネルの MOSトランジス

1 6

タである。

[0066] フォトダイオード Ρには、レンズユニット 14を通過した光が当たるようになつている。このフォトダイオード Ρのアノード Ρには直流電圧 V が印加されており、力ソード Ρに

A PD k はトランジスタ Tのドレイン T が接続されている。 [0067] トランジスタ Tのゲート T には信号 φ が入力されるようになっており、ソース Τ に

1 1G S 1S はトランジスタ Τのゲート Τ 及びドレイン Τ が接続されている。

2 2G 2D

[0068] このトランジスタ Τのソース Τ には、信号印加ライン L (図 5の L 〜L に相当）が

2 2S C CI Cn

接続されており、この信号印加ライン L力も信号 φ が入力されるようになっている。

C VPS

ここで、図 7に示すように、信号 φ は 2値の電圧信号であり、より詳細には、入射光

VPS

量が所定入射光量 thを超えたときにトランジスタ Tをサブスレツショルド領域で動作さ

2

せるための電圧値 VLと、トランジスタ Tを導通状態にする電圧値 VHとの 2つの値を

2

とるようになつている。

[0069] また、トランジスタ Tのソース T にはトランジスタ Tのゲート T が接続されている。

1 1S 3 3G

[0070] このトランジスタ Tのドレイン T には、直流電圧 V が印加されるようになっている。

3 3D PD

また、トランジスタ Tのソース T には、キャパシタ Cの一端と、トランジスタ Tのドレイン

3 3S 5

T と、トランジスタ Tのゲート T とが接続されている。

5D 4 4G

[0071] キャパシタ Cの他端には、信号印加ライン L (図 5の L 〜L に相当）が接続されて

B Bl Bn

おり、この信号印加ライン L力も信号 φ が与えられるようになつている。ここで、図 7

B VD

に示すように、信号 φ 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

VD

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 VIとの 3つの値をとるようになっている。

[0072] トランジスタ Tのソース T には直流電圧 V 力ゲート T には信号 φ が入力され

5 5S RG 5G RS

るようになっている。

[0073] トランジスタ Tのドレイン T には、トランジスタ Tのドレイン T と同様に直流電圧 V

4 4D 3 3D PD が印加されるようになっており、ソース T には、トランジスタ Tのドレイン T が接続さ

4S

れている。

[0074] このトランジスタ Tのソース T には、信号読出ライン L (図 5の L 〜L に相当）が

6 6S D Dl Dm

接続されており、ゲート T には、信号印加ライン L (図 5の L 〜L に相当）から信号

6G A Al An

φ が入力されるようになっている。

V

[0075] このような回路構成をとることにより、各画素 G 〜G は以下のリセット動作を行うよ

11 mn

うになつている。

[0076] まず、図 7に示すように、垂直走査回路 19が画素 G 〜G のリセット動作を行うようになっている。

[0077] 具体的には、信号 φ が Low、信号 φ が Hi、信号 φ が VL、信号 φ が Hi、信号

S V VPS RS

φ が Vhとなっている状態から、垂直走査回路 19が、ノルス信号 φ と、電圧値 Vm

VD V

のパルス信号 φ とを画素 G 〜G に与えて電気信号を信号読出ライン Lに出力さ

VD 11 mn D せた後、信号 φ を Hiとしてトランジスタ Tを OFFとするようになつている。

5 1

[0078] 次に、垂直走査回路 19が信号 φ を VHとすることで、トランジスタ Tのゲート T

VPS 2 2G 及びドレイン T 、並びにトランジスタ Tのゲート T に蓄積された負の電荷を速やか

2D 3 3G

に再結合させるようになつている。また、垂直走査回路 19が信号 φ を Lowとしてトラ

RS

ンジスタ Tを ONにすることにより、キャパシタ Cとトランジスタ Tのゲート T との接続ノ

5 4 4G ードの電圧を初期化するようになって!/、る。

[0079] 次に、垂直走査回路 19が信号 φ を VLとすることで、トランジスタ Tのポテンシャ

VPS 2

ル状態を基の状態に戻した後、信号 φ を Hiにして、トランジスタ Tを OFFにする。

RS 5

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 Tのゲート T との接続ノードの電圧力リセットされたトランジスタ Tのゲート

4 4G 2 電圧に応じたものとなる。

[0080] 次に、垂直走査回路 19がパルス信号 φ をトランジスタ Tのゲート T に与えること

V 6 6G

でトランジスタ Tを ONにするとともに、電圧値 VIのパルス信号 φ をキャパシタ Cに

6 VD

印加するようになっている。このとき、トランジスタ T力ソースフォロワ型の MOSトラン

4

ジスタとして動作するため、信号読出ライン Lにはノイズ信号が電圧信号として現れ

D

る。

[0081] そして、垂直走査回路 19がパルス信号 φ をトランジスタ Tのゲート T に与えてキ

RS 5 5G

ャパシタ Cとトランジスタ Tのゲート T との接続ノードの電圧をリセットした後、信号 φ

4 4G S を Lowにしてトランジスタ Tを ONとするようになつている。これにより、リセット動作が

1

完了し、画素 G 〜G が撮像可能状態となる。

11 mn

[0082] また、各画素 G 〜G は以下の撮像動作を行うようになっている。

11 mn

[0083] 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 Tに流れ込むと、光電

2

荷がトランジスタ Tのゲート T に蓄積されるようになっている。

2 2G

[0084] ここで、被写体の輝度が低ぐフォトダイオード 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 Tはカットオフ状態であるので、トランジス

2

タ τのゲート τ に蓄積された光電荷量に応じた電圧が当該ゲート τ に現れる。そ

2 2G 2G のため、トランジスタ τのゲートを線形変換した電圧が現れるよう〖こ

3 τ には、入射光

3G

なっている。

[0085] 一方、被写体の輝度が高ぐフォトダイオード 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 Tがサブスレツショルド領域で動作を行うよう

2

になっている。そのため、トランジスタ Tのゲート T には、入射光を自然対数で対数

3 3G

変換した電圧が現れる。

[0086] なお、本実施の形態においては、画素 G 〜G の間で前記所定値の値は等しくな

11 mn

つている。

[0087] トランジスタ Tのゲート T に電圧が現れると、その電圧量に応じてキャパシタじから

3 3G

トランジスタ τのドレイン増幅されるようになっている。そのため、ト

3 τ に流れる電流が

3D

ランジスタ Tのゲート T 〖こは、フォトダイオード Pの入射光を線形変換又は対数変換

4 4G

した電圧が現れる。

[0088] 次に、垂直走査回路 19が信号 φ の電圧値を Vmとするとともに、信号 φ を Lowと

VD V

するようになつている。これ〖こより、トランジスタ Tのゲート電圧に応じたソース電流が

4

、トランジスタ Tを介して信号読出ライン Lへ流れる。このとき、トランジスタ Tカ^ー

6 D 4 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 Lには撮像時

D

の電気信号が電圧信号として現れるようになつている。ここで、トランジスタ T , Tを介

4 6 して出力される電気信号の信号値はトランジスタ τのゲート電圧に比例した値となる

4

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。

[0089] そして、垂直走査回路 19が信号 φ の電圧値を Vhとするとともに、信号 φ を Hiと

VD V

することにより、撮像動作が終了するようになって!/、る。

[0090] このように動作するとき、撮像時の信号 φ の電圧値 VLが低くなり、リセット時の信

VPS

号 φ の電圧値 VHとの差を大きくするほど、トランジスタ Tのゲート'ソース間におけ

VPS 2

るポテンシャル差が大きくなつて、トランジスタ Tがカットオフ状態で動作する被写体

2

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!/ヽる。

[0091] このように動作する撮像素子 5の画素 G 〜G に与える信号 φ の電圧値 VLの値

11 mn VPS

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 φ の電圧値 VLの値を切り換えることによって、

VPS

画素 G 〜G 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

11 mn

とができるようになって!/、る。

[0092] なお、本実施形態では撮像時の信号 φ の電圧値 VLを変更することで線形変換

VPS

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 φ VPSの電圧値 V

H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ちょい。

[0093] 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力シアン（Cyan)、マゼンタ（Magenta)、イェロー（Yellow)など他の色フィルタを備えるものとしてちよい。

[0094] 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！/、る。

[0095] 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, LogL in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。

[0096] 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!/、る。

[0097] 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力デジタル信号に変換するようになって!/、る。

[0098] 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、る。

[0099] 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、出力信号をすベ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。

[0100] 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力も、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！/、る。

[0101] また、 AWB制御部 27は、黒基準補正後の電気信号力も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（RZG, BZG)を調整して白色を正しく表示するようになって、る。

[0102] 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。

[0103] 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!、を調整した画像を生成するようになって!/、る。

[0104] また、階調変換部 30は、画像を忠実に再現すベぐ画像の入力から最終出力までにおヽてガンマを 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。

[0105] 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、やすくなる。

[0106] 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 1 3からの撮影制御信号に基づヽ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。

[0107] 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、る。

[0108] 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つている。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）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つている。また、これに伴って変曲点も変化している。

[0109] 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、る。

[0110] 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ィ匕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。

[0111] 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、ようにすることも考えられる。

[0112] 次に、本実施形態の撮像装置 1の作用について説明する。

[0113] 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。

[0114] 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。

[0115] 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、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。

[0116] 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。

[0117] 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の撮像エリァ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。

[0118] 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。

[0119] 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、撮像エリアが広ぐかつ、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!、て補正を行うことも可能である。

[0120] 次に、撮像素子 5が撮像動作を開始すると、画素 Gl l〜Gmnにおいて光電変換された電荷力 S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。

[0121] 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。

[0122] 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。

[0123] 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。

[0124] 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。

[0125] 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の製造工程を簡単ィ匕することができる。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。

[0126] 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ユ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。

[0127] 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。

[0128] 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。

[0129] 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。

[0130] 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ぐ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。

[0131] (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、て説明する。

[0132] 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。 [0133] 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。

[0134] 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。

[0135] 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。

[0136] 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。

[0137] 次に、本実施形態の撮像装置 1の作用について説明する。

[0138] 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に揷通し、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〖こよって接着する。

[0139] 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。

[0140] 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。

[0141] 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。

[0142] 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。

[0143] 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。

[0144] また、撮像エリアのうち最も測定した、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。

[0145] 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。

[0146] 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

請求の範囲

[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、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項のいずれ力 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、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。

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、ずれか 1項に記載の撮像装置。