JP2011250299A - Imaging element unit and imaging apparatus - Google Patents
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Abstract
Description
ここに開示されている技術は、光を電気信号に変換する撮像素子ユニットおよびそれを備えた撮像装置に関する。 The technology disclosed herein relates to an imaging element unit that converts light into an electrical signal and an imaging apparatus including the imaging element unit.
従来より、CCD(Charge Coupled Device)やCMOS(Complimentary Metal Oxide Semiconductor)のように、受光した光を光電変換によって電気信号に変換する撮像素子が知られている。
この種の撮像素子として、例えば、表面照射型の撮像素子が用いられている。表面照射型撮像素子は、一般的に、半導体プロセスによってSi基板上に形成された多層構造を有している。例えば、フォトダイオードにより構成された光電変換部、回路、マスク、カラーフィルタおよびマイクロレンズが順にSi基板上に形成されている。光電変換部上には絶縁層が形成されており、絶縁層内に回路およびマスクが格子状に形成されている。マイクロレンズに入射した光は、カラーフィルタを透過し、回路およびマスクの間を通って光電変換部に到達する。光電変換部は複数の光電変換素子を有しており、光電変換部に到達した光は各光電変換素子により電気信号に変換される。
2. Description of the Related Art Conventionally, imaging devices that convert received light into electrical signals by photoelectric conversion, such as CCD (Charge Coupled Device) and CMOS (Complimentary Metal Oxide Semiconductor), are known.
As this type of image sensor, for example, a front-illuminated image sensor is used. A front-illuminated image sensor generally has a multilayer structure formed on a Si substrate by a semiconductor process. For example, a photoelectric conversion unit composed of a photodiode, a circuit, a mask, a color filter, and a microlens are sequentially formed on the Si substrate. An insulating layer is formed on the photoelectric conversion portion, and circuits and masks are formed in a lattice pattern in the insulating layer. The light incident on the microlens passes through the color filter, passes between the circuit and the mask, and reaches the photoelectric conversion unit. The photoelectric conversion unit has a plurality of photoelectric conversion elements, and light reaching the photoelectric conversion unit is converted into an electric signal by each photoelectric conversion element.
以上に説明した表面照射型撮像素子では、できるだけ受光面積を確保できるように回路は細く形成されている。光電変換部の総面積を基準にすると、回路を細く形成することで、例えば60%強の開口率を確保することができる。
しかし、撮像素子のサイズが同じ場合、撮像素子の高画素化に伴い、1画素に対応する光電変換素子の面積が小さくなり、その結果、各光電変換素子の受光量が低下する。半導体プロセスの微細化によって開口率は維持されているものの、光電変換素子の受光量の低下に伴い、撮像素子の受光感度が低下してしまう。
そこで、いわゆる裏面照射型撮像素子が提案されている。裏面照射型撮像素子では、Si基板が光電変換部の近傍まで、もしくは、光電変換部が露出するまで研削されている。前述の表面照射型ではSi基板が撮像素子の裏側に配置されているのに対して、裏面照射型では、研削された面が入射側として使用されるので、光電変換部の裏側(出射側)に回路およびマスクが配置されることになる。したがって、撮像素子の開口率を100%にすることができ、受光感度を高めることができる。
In the surface irradiation type imaging device described above, the circuit is formed to be thin so as to secure a light receiving area as much as possible. When the total area of the photoelectric conversion portion is used as a reference, an aperture ratio of, for example, a little over 60% can be ensured by forming the circuit thin.
However, when the size of the image sensor is the same, the area of the photoelectric conversion element corresponding to one pixel becomes smaller as the number of pixels of the image sensor increases, and as a result, the amount of light received by each photoelectric conversion element decreases. Although the aperture ratio is maintained by miniaturization of the semiconductor process, the light receiving sensitivity of the image pickup device is lowered with a decrease in the amount of light received by the photoelectric conversion device.
Therefore, a so-called back-illuminated image sensor has been proposed. In the back-illuminated image sensor, the Si substrate is ground to the vicinity of the photoelectric conversion unit or until the photoelectric conversion unit is exposed. In the above-described surface irradiation type, the Si substrate is disposed on the back side of the imaging device, whereas in the back side irradiation type, the ground surface is used as the incident side, so the back side (exit side) of the photoelectric conversion unit A circuit and a mask are arranged in the circuit. Therefore, the aperture ratio of the image sensor can be set to 100%, and the light receiving sensitivity can be increased.
Si基板を研削して製造されるので、裏面照射型撮像素子は非常に薄くなる。したがって、強度確保のためにSi基板などの支持基板を入射側と反対側に張り合わせることも提案されている。この場合、Si基板は反射率が高いので、光電変換部を透過した光がSi基板で反射し光電変換素子に再度入射する。その結果、例えば、裏面照射型撮像素子の受光感度は表面照射型撮像素子の受光感度の2倍以上に向上する。
しかし、裏面照射型では、結果としてISO感度が高くなりすぎてしまい、高輝度撮影においては、光電変換素子で電荷が飽和してしまう場合も少なくない。この場合、画像上では、いわゆる白飛び(Blown out highlights)が発生する。したがって、撮像素子の分野では、受光感度を高めることに加えて、電荷の飽和を抑制することも求められている。
Since it is manufactured by grinding the Si substrate, the back-illuminated image sensor is very thin. Therefore, it has also been proposed to bond a support substrate such as a Si substrate on the side opposite to the incident side in order to ensure strength. In this case, since the Si substrate has a high reflectance, the light transmitted through the photoelectric conversion unit is reflected by the Si substrate and is incident again on the photoelectric conversion element. As a result, for example, the light receiving sensitivity of the back-side illuminated image sensor is improved to at least twice that of the front surface illuminated image sensor.
However, with the back-illuminated type, as a result, the ISO sensitivity becomes too high, and in high-intensity photography, the charge is often saturated with the photoelectric conversion element. In this case, so-called whiteout (Blown out highlights) occurs on the image. Therefore, in the field of imaging devices, in addition to increasing the light receiving sensitivity, it is also required to suppress charge saturation.
ここに開示される撮像素子ユニットは、光電変換部と、複数の反射光学素子と、駆動ユニットと、を備えている。光電変換部は、マトリックス状に配置され光を電荷に変換する複数の光電変換素子と、複数の光電変換素子により形成され入射光を受ける受光面と、を有している。複数の反射光学素子は、マトリックス状に配置されており、光電変換部の透過光を光電変換部に向けて反射する。駆動ユニットは、各反射光学素子の光電変換部に対する角度を個別に変更可能に設けられている。
この撮像素子ユニットでは、各光電変換素子の透過光が反射光学素子により光電変換部へ反射されるので、光電変換素子に入射するトータルの光量を増やすことができ、受光感度を高めることができる。
それに加えて、複数の反射光学素子の光電変換部に対する角度を駆動ユニットにより個別に変更することができるので、各光電変換素子に入射する反射光量を反射光学素子ごとに調整することができる。これにより、光電変換素子に入射するトータルの光量を光電変換素子ごとに調整することができ、電荷の飽和を抑制することが可能となる。
The image sensor unit disclosed herein includes a photoelectric conversion unit, a plurality of reflective optical elements, and a drive unit. The photoelectric conversion unit includes a plurality of photoelectric conversion elements that are arranged in a matrix and converts light into electric charges, and a light receiving surface that is formed by the plurality of photoelectric conversion elements and receives incident light. The plurality of reflective optical elements are arranged in a matrix and reflect light transmitted through the photoelectric conversion unit toward the photoelectric conversion unit. The drive unit is provided so that the angle of each reflective optical element with respect to the photoelectric conversion unit can be individually changed.
In this imaging element unit, the transmitted light of each photoelectric conversion element is reflected by the reflective optical element to the photoelectric conversion unit, so that the total amount of light incident on the photoelectric conversion element can be increased and the light receiving sensitivity can be increased.
In addition, since the angle of the plurality of reflective optical elements with respect to the photoelectric conversion unit can be individually changed by the drive unit, the amount of reflected light incident on each photoelectric conversion element can be adjusted for each reflective optical element. As a result, the total amount of light incident on the photoelectric conversion element can be adjusted for each photoelectric conversion element, and charge saturation can be suppressed.
この撮像素子ユニットであれば、受光感度を高めつつ電荷の飽和を抑制することが可能となる。また、この撮像素子ユニットを用いた撮像装置であれば、高感度かつ広ダイナミックレンジの撮影が可能となる。 With this imaging element unit, it is possible to suppress charge saturation while increasing the light receiving sensitivity. In addition, an imaging apparatus using this imaging element unit can perform imaging with high sensitivity and a wide dynamic range.
<デジタルカメラの構成>
図1を用いてデジタルカメラ1について説明する。
デジタルカメラ1(撮像装置の一例)は、レンズ交換式のデジタルカメラであり、交換レンズユニット2と、カメラ本体3と、を有している。なお、このデジタルカメラ1はクイックリターンミラーを有していないが、従来のデジタル一眼レフカメラのようにクイックリターンミラーが搭載されていてもよい。
(1)交換レンズユニット
図1に示すように、交換レンズユニット2は、レンズマウント95と、光学系Oと、レンズコントローラ40と、絞り調節ユニット73と、ズームリングユニット83と、フォーカスリングユニット88と、フォーカス調節ユニット72と、を有している。
<Configuration of digital camera>
The
A digital camera 1 (an example of an imaging device) is an interchangeable lens digital camera, and includes an
(1) Interchangeable Lens Unit As shown in FIG. 1, the
レンズマウント95は、カメラ本体3のボディーマウント4に装着可能に設けられており、レンズ側接点91を有している。光学系Oは、例えばズームレンズ系であり、被写体の光学像を形成する。光学系Oはフォーカス調節のためのフォーカスレンズLを有している。
絞り調節ユニット73は、絞りユニット62と、絞り駆動制御部42と、を有している。絞りユニット62は、絞り羽根を有する絞り機構(図示せず)と、絞り機構を駆動する絞り駆動モータ(図示せず)と、を含んでおり、光学系Oの絞り値を変更可能に設けられている。絞り駆動制御部42はレンズコントローラ40から送られる指令に基づいて絞りユニット62を制御する。
レンズコントローラ40は、CPU(図示せず)、ROM40bおよびRAM40aを有しており、ROM40bに格納されているプログラムがCPU10cに読み込まれることで、様々な機能を実現し得る。例えば、レンズコントローラ40は、位置検出センサ67(後述)の検出信号によりフォーカスレンズLの絶対位置を把握することができる。また、レンズコントローラ40は、リニアポジションセンサ87(後述)の検出結果に基づいて光学系Oの焦点距離を算出することができる。ROM40bは、不揮発性メモリであり、電力供給が停止している状態でも記憶している情報を保持できる。ROM40bには、例えば交換レンズユニット2に関する情報(レンズ情報)が格納されている。レンズコントローラ40はレンズ側接点91を介してボディーコントローラ10(後述)と情報の送受信が可能である。
The
The
The
図1に示すように、ズームリングユニット83は、ズームリング84と、リニアポジションセンサ87と、を有している。リニアポジションセンサ87は、ズームリング84の回転位置および回転方向を検出し、検出結果を所定の周期でレンズコントローラ40に送信する。レンズコントローラ40は、リニアポジションセンサ87の検出結果に基づいて光学系Oの焦点距離を算出し、算出した焦点距離を所定の周期でボディーコントローラ10に送信する。このように、ボディーコントローラ10は光学系Oの焦点距離を把握することができる。
フォーカスリングユニット88は、フォーカスリング89と、フォーカスリング角度検出部90と、を有している。フォーカスリング角度検出部90は、フォーカスリング89の回転角度および回転方向を検出し、検出結果を所定の周期でレンズコントローラ40に送信する。マニュアルフォーカスモードでは、レンズコントローラ40はフォーカスリング角度検出部90の検出結果をフォーカス駆動制御部41(後述)に送信し、フォーカス駆動制御部41はこの検出結果に基づいてフォーカスモータ64(後述)を制御する。
As shown in FIG. 1, the
The
図1および図2に示すように、フォーカス調節ユニット72は、フォーカスリング89の操作に応じて、あるいは、算出されたデフォーカス量に応じて、フォーカスレンズLを駆動する。フォーカス調節ユニット72は、フォーカスモータ64と、位置検出センサ67と、フォーカス駆動制御部41と、を有している。フォーカスモータ64はフォーカスレンズLを光学系Oの光軸AZに沿った方向に駆動する。位置検出センサ67はフォーカスレンズLの位置を検出する。フォーカス駆動制御部41はレンズコントローラ40からの指令に基づいてフォーカスモータ64を制御する。
(2)カメラ本体
図1および図2に示すように、カメラ本体3は、ボディーマウント4と、画像取得部35と、表示ユニット36と、ファインダユニット38と、操作ユニット39と、ボディーコントローラ10(制御部の一例)と、画像記録部18と、画像記録制御部19と、を備えている。
As shown in FIGS. 1 and 2, the
(2) Camera Body As shown in FIGS. 1 and 2, the
図1に示すように、ボディーマウント4は、交換レンズユニット2のレンズマウント95が装着される部分であり、レンズ側接点91と電気的に接続可能なボディー側接点92を有している。ボディーマウント4およびレンズマウント95を介して、カメラ本体3は交換レンズユニット2とデータの送受信が可能である。例えば、ボディーコントローラ10は、ボディーマウント4およびレンズマウント95を介して露光同期信号などの制御信号をレンズコントローラ40に送信する。また、ボディーコントローラ10は、ボディーマウント4およびレンズマウント95を介して交換レンズユニット2に関するレンズ情報をレンズコントローラ40から取得することができる。
図1に示すように、操作ユニット39は、例えば、電源スイッチ25と、レリーズボタン30と、撮影モード切り換えダイヤル26と、を有している。電源スイッチ25はデジタルカメラ1あるいはカメラ本体3の電源の入切を行うために設けられている。レリーズボタン30は、半押し操作と全押し操作が可能な2段式のスイッチであり、撮影の際にユーザーによって操作される。ボディーコントローラ10はレリーズボタン30の半押しおよび全押し操作を検出することができる。ユーザーがレリーズボタン30を半押し操作すると、例えば、測光処理、測距処理および焦点検出処理を開始する。ユーザーがレリーズボタン30を全押し操作すると、画像取得部35で被写体の画像データが取得される。
As shown in FIG. 1, the
As shown in FIG. 1, the
撮影モード切り換えダイヤル26は、いわゆるライブビューモードで撮影するか否かを切り換えるために設けられている。撮影モード切り換えダイヤル26を操作することで、ファインダ接眼窓9をのぞいて撮影するのか、あるいは、液晶モニタ20を見ながら撮影するのか、を選択することができる。
図1および図2に示すように、画像取得部35は、撮像素子ユニット100と、シャッターユニット33と、シャッター制御部31と、画像処理部11と、タイミングジェネレータ12と、を有している。
図1および図2に示すように、撮像素子ユニット100は、撮像素子110と、反射ユニット120と、を有している。撮像素子110、例えばCMOSイメージセンサであり、光学系Oにより形成される光学像を電気信号に変換する。撮像素子ユニット100の詳細については後述する。なお、撮像素子110はCCDイメージセンサなどの他の撮像素子であってもよい。
The shooting
As shown in FIGS. 1 and 2, the
As shown in FIGS. 1 and 2, the
図1に示すように、シャッターユニット33は撮像素子ユニット100の露光状態を調節する。シャッター制御部31はボディーコントローラ10からの指令に基づいてシャッターユニット33を制御する。シャッターユニット33およびシャッター制御部31により露光時間が調節される。
画像処理部11は撮像素子ユニット100の撮像素子110(後述)から出力される電気信号に所定の画像処理を施す。具体的には図2に示すように、画像処理部11は、アナログ信号処理部13と、A/D変換部14と、デジタル信号処理部15と、バッファメモリ16と、画像圧縮部17と、を有している。撮像素子110から出力された電気信号は、アナログ信号処理部13から、A/D変換部14、デジタル信号処理部15、バッファメモリ16および画像圧縮部17へと、順次送られて処理される。
As shown in FIG. 1, the
The
アナログ信号処理部13は、撮像素子110から出力される電気信号にガンマ処理等のアナログ信号処理を施す。A/D変換部14は、アナログ信号処理部13から出力されたアナログ信号をデジタル信号に変換する。デジタル信号処理部15は、A/D変換部14によりデジタル信号に変換された画像信号に対してノイズ除去や輪郭強調等のデジタル信号処理を施す。バッファメモリ16は、RAMであり、画像信号を画像データとして一旦記憶する。バッファメモリ16に記憶された画像データは、画像圧縮部17から画像記録部18へと、順次送られて処理される。バッファメモリ16に記憶された画像データは、画像記録制御部19の命令により読み出されて、画像圧縮部17に送信される。画像圧縮部17に送信された画像データは、画像記録制御部19の命令に従って圧縮処理される。画像データは、この圧縮処理により、元のデータより小さなデータサイズになる。画像データの圧縮方法として、例えば1フレームの画像データ毎に圧縮するJPEG(Joint Photographic Experts Group)方式が用いられる。その後、圧縮された画像データは、画像記録制御部19により画像記録部18に記録される。また、ユーザーによってRAWデータによる記録が選択された場合は、画像圧縮部17をスルーして画像記録部18にRAWデータを記録することも可能である。
The analog signal processing unit 13 performs analog signal processing such as gamma processing on the electrical signal output from the
タイミングジェネレータ12は撮像素子110を駆動するためのタイミング信号を生成する。本実施形態では、撮像素子110のフレームレートは30〔fps〕とする。
なお、デジタルカメラ1では、オートフォーカス方式として、撮像素子ユニット100で生成された画像データを利用するコントラスト検出方式(コントラストAFともいう)が採用されている。コントラスト検出方式を用いることにより、高精度なフォーカス調節を実現することができる。
ボディーコントローラ10は、カメラ本体3の中枢を司る制御装置であり、操作ユニット39に入力された操作情報に応じて、デジタルカメラ1の各部を制御する。具体的には図2に示すように、ボディーコントローラ10にはCPU10c、ROM10b、RAM10aが搭載されており、ROM10bに格納されたプログラムがCPU10cに読み込まれることで、ボディーコントローラ10は様々な機能を実現することができる。例えば、ボディーコントローラ10は、オートフォーカスのための演算処理機能および反射ユニット120を制御する機能を有している。ボディーコントローラ10の詳細については後述する。
The
Note that the
The
図1および図2に示すように、表示ユニット36は、液晶モニタ20と、表示制御部21と、ファインダユニット38と、を有している。液晶モニタ20は、表示制御部21からの指令に基づいて、画像記録部18あるいはバッファメモリ16に記録された画像信号を可視画像として表示する。つまり、液晶モニタ20には、撮像素子110で生成された電気信号に基づく画像が表示される。液晶モニタ20での表示形態としては、画像信号のみを可視画像として表示する表示形態や、画像信号と撮影時の情報とを可視画像として表示する表示形態が考えられる。
図1に示すように、ファインダユニット38は、撮像素子110により取得された画像を表示する液晶ファインダ8と、背面に設けられたファインダ接眼窓9と、を有している。ユーザーは、ファインダ接眼窓9を覗くことで液晶ファインダ8に表示された画像を視認することができる。
As shown in FIGS. 1 and 2, the
As shown in FIG. 1, the
図2に示すように、画像記録部18は、画像記録制御部19の命令に基づいて、画像データと記録すべき所定の情報とを関連付けて静止画ファイルまたは動画ファイルを作成する。さらに、画像記録部18は、画像記録制御部19の命令に基づいて、静止画ファイルまたは動画ファイルを記録する。画像記録部18は、例えば内部メモリやメモリカードなどの記録媒体である。なお、画像信号とともに記録すべき所定の情報には、例えば、画像を撮影した際の日時、焦点距離情報、シャッタースピード情報、絞り値情報および撮影モード情報が含まれる。
<撮像素子ユニット>
ここで、撮像素子ユニット100の構造について詳細に説明する。図1から図3に示すように、撮像素子ユニット100は、撮像素子110と、反射ユニット120と、を有している。
As illustrated in FIG. 2, the
<Image sensor unit>
Here, the structure of the
(1)撮像素子
撮像素子110は、裏面照射型撮像素子であり、光学系Oから出射した光を受光可能な位置に配置されている。図3および図4に示すように、撮像素子110は、光電変換部114と、補強ガラス111と、回路部118と、カラーフィルタ113と、マイクロレンズ112と、背面マスク117(遮光部の一例)と、を有している。
光電変換部114は、半導体材料で構成されており、入射する光に対して光電変換を行う。光電変換部114は、マトリックス状に配置された複数の光電変換素子119と、隣接する光電変換素子119の境界を形成する分離領域116と、を有している。後述するように、カラーフィルタ113が光電変換部114の前面側(入射側)に設けられているので、各光電変換素子119には赤色(R)、緑色(G)、青色(B)のうち1色の光しか入射しない。光電変換部114は光を受ける受光面119aを有している。
(1) Image Sensor The
The
光電変換素子119は、例えばフォトダイオードから構成されており、光を電気信号(電荷)に変換する。一般に、フォトダイオードにおいて、n型半導体で形成された領域(図示せず)の上にp型半導体の膜(図示せず)が形成されている。本実施形態では、光電変換素子119は、フォトダイオードとしてのn型半導体およびp型半導体が形成された領域に対応している。
図3から図5に示すように、分離領域116は、光電変換素子119の間に設けられており、格子状に設けられている。分離領域116の形成方法としては、光電変換素子119と同様に半導体プロセスを用いることができる。分離領域116に形成される半導体層の構造は、光電変換素子119に形成された半導体層の構造と異なっているので、光電変換素子119で生成された電荷は、隣接する光電変換素子119に伝達されない。このように、分離領域116は複数の光電変換素子119を分離している。
The
As shown in FIGS. 3 to 5, the
光電変換部114の入射側には基板層130が配置されている。基板層130は研削された後に残ったSi基板の一部である。撮像素子110は裏面照射型であるため、光電変換部114、回路部118および絶縁層118cがSi基板上に形成された後に、Si基板が裏側(図3および図4の上側)から研削される。この結果、Si基板の一部である基板層130が光電変換部114の入射側に残る。
回路部118は、光電変換素子119で生成された電気信号(電荷)を画像処理部11に出力するための伝送路を形成しており、分離領域116に沿って格子状に配置されている。格子状に設けられているので、回路部118は概ね正方形の複数の開口118dを有している。具体的には、回路部118は、電気回路118aと、マスク118bと、を有している。電気回路118aは、トランジスタおよび信号線を含んでおり、分離領域116に沿って格子状に配置されている。マスク118bは、電気回路118aを覆っており、電気回路118aと同様に格子状に配置されている。撮像素子110が裏面照射型であるため、回路部118は光電変換部114の裏側(出射側)に配置されている。回路部118は光電変換素子119と反射ユニット120との間に配置されている。より詳細には、光電変換素子119と反射ユニット120との間には絶縁層118cが形成されており、回路部118は絶縁層118c内に形成されている。
A
The
回路部118の反射ユニット120側には、背面マスク117が配置されている。背面マスク117は、反射ユニット120で反射された光が隣接する光電変換素子119に入射するのを防止するために設けられており、回路部118と同様に、格子状に形成されている。背面マスク117は、概ね正方形の複数の開口117aを有しており、絶縁層118cの反射ユニット120に設けられている。光軸AZに平行な方向から見た場合、回路部118および背面マスク117は重なり合っている。背面マスク117を設けることにより、図4に示すように光電変換素子119の透過光が可動ミラー121(後述)により反射されて隣接する光電変換素子119へ入射するのを防止できる。
カラーフィルタ113は、ベイヤー配列の原色フィルタであり、光電変換部114の入射側に配置されている。より詳細には、カラーフィルタ113は基板層130の入射側に形成されている。基板層130がカラーフィルタ113と光電変換部114との間に配置されていると言うこともできる。カラーフィルタ113は、複数の赤色フィルタRと、複数の緑色フィルタGと、複数の青色フィルタBと、を有している。赤色フィルタRは、赤色以外の色の可視光波長域よりも赤色の可視光波長域の方が透過率が高いフィルタである。緑色フィルタGは、緑色以外の色の可視光波長域よりも緑色の可視光波長域の方が透過率が高いフィルタである。青色フィルタBは、青色以外の色の可視光波長域よりも青色の可視光波長域の方が透過率が高いフィルタである。
A
The
赤色フィルタR、緑色フィルタGおよび青色フィルタBはマトリックス状に配置されている。具体的には図5に示すように、2行2列に配置された赤色フィルタR、2つ緑色フィルタGおよび青色フィルタBを1つの単位領域Qとした場合、複数の単位領域Qがマトリックス状に配置されている。単位領域Qにおいて、2つの緑色フィルタGは対角に配置されている。本実施形態では、赤色フィルタR、緑色フィルタGおよび青色フィルタBのうちいずれか1つのフィルタが1つの光電変換素子119に対応する位置に配置されている。つまり、1つの単位領域Qは4画素分の光電変換素子119に対応している。なお、カラーフィルタ113は補色フィルタでもよい。
マイクロレンズ112は、混色を防止あるいは抑制するためのレンズであり、カラーフィルタ113の入射側に配置されている。カラーフィルタ113がマイクロレンズ112と光電変換部114との間に配置されている、と言うこともできる。マイクロレンズ112は各赤色フィルタR、各緑色フィルタGおよび各青色フィルタBに対応する複数のレンズ部112aを有している。各レンズ部112aは対応するフィルタに光が正しく入射するように集光する。マイクロレンズ112により光電変換部114を効率よく照射することができる。
The red filter R, green filter G, and blue filter B are arranged in a matrix. Specifically, as shown in FIG. 5, when the red filter R, the two green filters G, and the blue filter B arranged in two rows and two columns are set as one unit region Q, a plurality of unit regions Q are arranged in a matrix. Is arranged. In the unit region Q, the two green filters G are arranged diagonally. In the present embodiment, any one of the red filter R, the green filter G, and the blue filter B is disposed at a position corresponding to one
The
補強ガラス111は撮像素子110の強度を確保するために設けられている。具体的には、補強ガラス111はマイクロレンズ112の入射側に配置されている。補強ガラス111はマイクロレンズ112に樹脂115により接着固定されている。
以上のように、撮像素子110に入射する光は、補強ガラス111、樹脂115、マイクロレンズ112、カラーフィルタ113および光電変換部114を順に透過する。光電変換部114の透過光の一部は、電荷に変換され、残りの透過光は、回路部118および背面マスク117の間を通って反射ユニット120に入射する。
(2)反射ユニット
反射ユニット120は、撮像素子110の透過光を撮像素子110に向けて反射するためのユニットであり、MEMS(Micro Electro Mechanical Systems)の一種である。本実施形態では、反射ユニット120は、いわゆるDMD(Digital Micromirror Device)から構成されている。具体的には図3および図4に示すように、反射ユニット120は、複数の可動ミラー121(反射光学素子の一例)と、複数の可動ミラー121を駆動する駆動ユニット125と、を有している。
The reinforcing
As described above, the light incident on the
(2) Reflection unit The
複数の可動ミラー121は、マトリックス状に配置されており、光電変換部114の透過光を光電変換部114に向けて反射する。可動ミラー121は、例えばアルミなどの金属で形成された正方形のプレートであり、反射面121aを有している。各可動ミラー121は、4つの光電変換素子119を透過した光を受光可能に配置されている。各可動ミラー121は、受光面119aに直交する方向(光軸AZに平行な方向)に回路部118を挟んで光電変換部114の出射面と向かい合うように配置されている。
図3から図5に示すように、本実施形態では、1つの可動ミラー121は4つの光電変換素子119に対応するように配置されている。また、1つの可動ミラー121は、カラーフィルタ113の1つの単位領域Q(対角に配置された2つの緑色フィルタG、1つの赤色フィルタRおよび1つの青色フィルタB)に対応するように配置されている。つまり、4画素に対して1つの可動ミラー121が配置されている。
The plurality of
As shown in FIGS. 3 to 5, in the present embodiment, one
複数の可動ミラー121は第1ピッチP1でマトリックス状に配置されている。一方、複数の光電変換素子119は、第2ピッチP2でマトリックス状に配置されている。ここでは、第1ピッチP1は可動ミラー121の中心同士の間隔を意味しており、第2ピッチP2は光電変換素子119の中心同士の間隔を意味している。本実施形態では、第1ピッチP1は、第2ピッチP2よりも大きく設定されており、第2ピッチP2の2倍となっている。
駆動ユニット125は、半導体製造工程によって製作されるMEMS(Micro Electro Mechanical Systems)の一種であり、各可動ミラー121の光電変換部114に対する角度を個別に変更可能である。駆動ユニット125は、複数の可動ミラー121の光電変換部114と反対側に配置されている。駆動ユニット125は、CMOS基板124と、CMOS基板124上に設けられた複数のアクチュエータ126と、を有している。
The plurality of
The
各アクチュエータ126は可動ミラー121ごとに設けられている。図4に示すように、アクチュエータ126は可動ミラー121を第1状態E1および第2状態E2に保持することができる。図4に示すように、第1状態E1は可動ミラー121の反射面121aが受光面119aと平行な状態であり、第2状態E2は可動ミラー121の反射面121aが受光面119aに対して所定角度(例えば、10度)だけ傾いている状態である。第1状態E1では、光電変換素子119の透過光の全部あるいはほとんどは可動ミラー121で反射されて、透過してきた光電変換素子119に背面から再入射する。一方、図4に示すように、第2状態E2では、光電変換素子119の透過光の一部は、背面マスク117および回路部118のマスク118bに遮られて、どの光電変換素子119にも再入射しない。このように、第2状態E2での再入射光量は、第1状態E1での再入射光量よりも少なくなるので、光量が多い場合は、可動ミラー121を第2状態E2で保持することで、光電変換素子119に入射するトータルの光量を減らすことができる。
Each
さらに、アクチュエータ126の駆動速度は非常に高速であり、第1状態E1から第2状態E2に切り替えるのに例えば約10〔μsec〕しか必要としない。したがって、可動ミラー121を高速駆動しながら単位時間あたりの第1状態E1および第2状態E2の割合を調整することで、各可動ミラー121での反射率を別個に、かつ、概ね無段階で調整することができる。例えば、反射率とアクチュエータ126の駆動パターンとの関係をボディーコントローラ10のROM10bに予め記憶しておくことで、反射率に基づいてアクチュエータ126の駆動パターンを算出することができる。各可動ミラー121の反射率は、後述する反射率設定部51gにより設定される。
なお、アナログ制御により、アクチュエータ126の駆動角度を多段階あるいは無段階に調整可能としてもよい。
Furthermore, the driving speed of the
It should be noted that the driving angle of the
図3〜図5に示すように、アクチュエータ126は、ヒンジ部128と、1対の支持部127と、ヨーク122と、1対の電極123と、を有している。ヒンジ部128は、細長いプレート状の部分であり、1対の支持部127により両端を支持されている。ヨーク122には可動ミラー121が固定されている。電極123はヨーク122を駆動するための静電引力を生成する。各電極123はCMOS基板124上に配置されている。CMOS基板124を介して電極123へ電圧を供給すると、電極123とヨーク122との間で静電引力が発生する。この静電引力によりヨーク122の端部が電極123側に引き寄せられ、可動ミラー121が第2状態E2で保持されるようになっている。電極123に電圧が供給されていない場合、ヒンジ部128の剛性により可動ミラー121は第1状態E1で保持される。電圧の供給を高速でONおよびOFFすることで、可動ミラー121を高速駆動することができ、前述のように、可動ミラー121での反射率を調整することができる。
As shown in FIGS. 3 to 5, the
CMOS基板124は、複数のアクチュエータ126を支持しており、さらに各電極123に別個に電圧を供給可能に設けられている。CMOS基板124は、半導体材料から構成されており、光電変換部114と概ね平行に配置されている。CMOS基板124および撮像素子110は所定の間隔を保った状態でパッケージ(図示せず)に装着されている。
<ボディーコントローラ>
図2に示すように、ボディーコントローラ10は、輝度算出部51fと、選択部51bと、飽和画素検出部51cと、電荷不足画素検出部51eと、反射率設定部51gと、駆動制御部51aと、合焦演算部54と、を有している。これら各部は、プログラムにより実現される機能ブロックを示している。なお、これら各機能ブロックはそれぞれ、ソフトウェア、ハードウェア、並びに、ソフトウェアおよびハードウェアの組み合わせ、のいずれで実現されてもよい。
The
<Body controller>
As shown in FIG. 2, the
輝度算出部51fは、画像データに基づいて、各単位領域Q(4画素)の平均輝度を算出する。輝度算出部51fで算出された各平均輝度は座標情報とともにRAM10aに一時的に格納される。
選択部51bは、輝度算出部51fにより算出された複数の平均輝度の中から、最も高い平均輝度を最高輝度Bmaxとして選択する。選択部51bにより選択された最高輝度Bmaxは座標情報とともにRAM10aに一時的に格納される。また、選択部51bは、輝度算出部51fにより算出された複数の平均輝度の中から、最も低い平均輝度を最低輝度Bminとして選択する。選択部51bにより選択された最低輝度Bminは座標情報とともにRAM10aに一時的に格納される。なお、最高輝度Bmaxを有する単位領域Qが複数箇所存在する場合、あるいは、最低輝度Bminを有する単位領域Qが複数箇所存在する場合、最高輝度Bmaxおよび最低輝度Bminが各座標情報とともにRAM10aに格納される。
The
The
飽和画素検出部51cは、選択部51bにより選択された最高輝度Bmaxが所定の範囲内(第1上限輝度B1max〜第1下限輝度B1min)に収まっているか否かを判定する。最高輝度Bmaxが所定の範囲内に収まっていれば、ダイナミックレンジの高輝度側が適正なレベルに維持されている。ここで、第1上限輝度B1maxは、撮像素子110で生成される画像データで表現し得る階調の最大値よりも小さい値に設定されている。最高輝度Bmaxが第1上限輝度B1maxよりも高い場合は、最高輝度Bmaxに対応する4つの光電変換素子119の入射光量が多く電荷が飽和する可能性が高いと判断できる。また、第1下限輝度B1minは第1上限輝度B1maxよりも小さい値に設定されている。
電荷不足画素検出部51eは、選択部51bにより選択された最低輝度Bminが所定の範囲(第2上限輝度B2max〜第2下限輝度B2min)に収まっているか否かを判定する。最低輝度Bminが所定の範囲内に収まっていれば、ダイナミックレンジの低輝度側が適正なレベルに維持されている。ここで、第2下限輝度B2minは、撮像素子110で生成される画像データで表現し得る階調の最小値よりも大きい値に設定されている。最低輝度Bminが第2下限輝度B2minよりも低い場合は、最低輝度Bminに対応する4つの光電変換素子119の入射光量が少なく電荷が不足する可能性が高いと判断できる。また、第2上限輝度B2maxは第2下限輝度B2minよりも大きい値に設定されている。
The saturated
The charge deficient
反射率設定部51gは、飽和画素検出部51cにより最高輝度Bmaxが第1上限輝度B1maxよりも高いと判断された場合、最高輝度Bmaxに対応する可動ミラー121の反射率を最小値(最小反射率Rmin)に設定する。また、反射率設定部51gは、電荷不足画素検出部51eにより最低輝度Bminが第2下限輝度B2minよりも低いと判断された場合、最低輝度Bminに対応する可動ミラー121の反射率を最大値(最大反射率Rmax)に設定する。
さらに、反射率設定部51gは、最高輝度Bmaxに対応する単位領域Qおよび最低輝度Bminに対応する単位領域Q以外の単位領域Qにおいて、各可動ミラー121の反射率を算出する。具体的には、反射率設定部51gは、最高輝度Bmax、最低輝度Bmin、最高輝度Bmaxに対応する単位領域Qの反射率および最低輝度Bminに対応する単位領域Qの反射率に基づいて、各単位領域Qの平均輝度に対応する反射率を算出する。本実施形態では、直線補間を用いて反射率設定部51gにより反射率が算出される。
When the saturation
Further, the
ここで、反射率とは、可動ミラー121の反射光のうち単位時間あたりに光電変換素子119に再入射する光の割合を表している。前述のように、駆動ユニット125のアクチュエータ126により、可動ミラー121は第1状態E1および第2状態E2の2種類の状態で保持可能となっている。したがって、第1状態E1および第2状態E2を高速で切り替えて、単位時間あたりの第1状態E1および第2状態E2の割合を変えることで、反射率を調整することができる。例えば、第1状態E1の反射率は約100%、第2状態E2の反射率は約10%である。
なお、反射率という概念を積極的に用いていない場合でも、可動ミラー121の高速切り替えにより時分割強度変調を行っていれば、反射率を設定していることになる。
駆動制御部51aは反射率設定部51gにより設定あるいは算出された反射率に応じて各アクチュエータ126を制御する。ROM10bには反射率に応じた可動ミラー121の駆動パターンが予め格納されている。駆動制御部51aはこの駆動パターンに基づいて、反射率設定部51gで設定された各可動ミラー121の反射率に応じて反射ユニット120の各アクチュエータ126を個別に制御する。
Here, the reflectance represents the proportion of light that re-enters the
Even when the concept of reflectance is not actively used, the reflectance is set if time-division intensity modulation is performed by high-speed switching of the
The
合焦演算部54は画像データに基づいて合焦状態に対応するフォーカスレンズLの位置を算出する。具体的には、合焦演算部54は、画像データからAF評価値を算出し、算出したAF評価値を用いて、いわゆる山登り方式で合焦状態に対応するフォーカスレンズLの位置を求める。
<動作>
図6および図7を用いてデジタルカメラ1の動作について説明する。図6および図7は静止画撮影時の動作フローチャートを示している。
図6に示すように、例えば、デジタルカメラ1がライブビューモードなどの撮影モードに切り替えられると、反射ユニット120がリセットされる(ステップS1)。具体的には、全ての可動ミラー121が第1状態E1にセットされるように、反射率設定部51gにおいて全ての可動ミラー121の反射率が最大値に設定される。この結果、駆動制御部51aにより各アクチュエータ126が制御され、可動ミラー121が第1状態E1となる。このとき、各可動ミラー121の反射率が座標情報とともにボディーコントローラ10のRAM10aに一時的に格納される。
The
<Operation>
The operation of the
As shown in FIG. 6, for example, when the
次に、撮像素子110により画像データが取得される(ステップS2)。具体的には、撮像素子110の電荷が一旦排出され、シャッターユニット33がシャッター制御部31により駆動される。具体的には、予め求められた露光時間だけ撮像素子110が露光されるようにシャッターユニット33が駆動される。各光電変換素子119には露光時間に応じた量だけ光が入射する。光電変換素子119の透過光は可動ミラー121により光電変換素子119に背面から再入射する。光電変換素子119では入射光量に応じて電荷が蓄積され、回路部118を介して各光電変換素子119の電荷が電気信号として撮像素子110から画像処理部11に出力される。画像処理部11では、撮像素子110から出力された電気信号に所定の処理が施され、画像データが生成される。生成された画像データはバッファメモリ16に一時的に格納される。ライブビューモードの場合、この画像データは可視画像として、例えば液晶モニタ20に表示される。
Next, image data is acquired by the image sensor 110 (step S2). Specifically, the charge of the
画像データの取得後、画像データに基づいて、各単位領域Qの平均輝度(より詳細には、4画素の平均輝度)が輝度算出部51fにより算出される(ステップS3)。各平均輝度は座標情報とともにRAM10aに一時的に格納される。
次に、これら複数の平均輝度の中から、最も高い平均輝度が最高輝度Bmaxとして選択部51bにより選択される(ステップS4)。選択された最高輝度Bmaxは座標情報とともにRAM10aに一時的に格納される。また、これら複数の平均輝度の中から、最も低い平均輝度が最低輝度Bminとして選択部51bにより選択される(ステップS5)。選択された最低輝度Bminは座標情報とともにRAM10aに一時的に格納される。
さらに、選択された最高輝度Bmaxが所定の範囲内(第1上限輝度B1max〜第1下限輝度B1min)に収まっているか否かが飽和画素検出部51cにより判定される。具体的には、飽和画素検出部51cにより最高輝度Bmaxが予め設定された第1上限輝度B1maxと比較される(ステップS6)。最高輝度Bmaxが第1上限輝度B1maxよりも高い場合は、最高輝度Bmaxに対応する単位領域Qの入射光量は光電変換素子119の電荷量が飽和してしまうほど多い、と判断できる。したがって、最高輝度Bmaxに対応する可動ミラー121での反射率が反射率設定部51gにより最小値に設定される(ステップS7A、図8(B)参照)。具体的には、ROM10bに予め格納された最小反射率Rminが新たな反射率として座標情報とともにRAM10aに一時的に格納される。最高輝度Bmaxに対応する単位領域Qが複数箇所存在する場合は、それらの単位領域Qの座標情報とともに最小反射率Rminが新たな反射率としてRAM10aに一時的に格納される。
After the image data is acquired, the average luminance of each unit region Q (more specifically, the average luminance of four pixels) is calculated by the
Next, the highest average luminance is selected from the plurality of average luminances as the maximum luminance Bmax by the
Further, the saturated
一方、最高輝度Bmaxが第1上限輝度B1max以下の場合は、最高輝度Bmaxに対応する単位領域Qの入射光量は光電変換素子119の電荷が飽和するほど多くはない、と判断できる。この場合、飽和画素検出部51cにより最高輝度Bmaxが予め設定された第1下限輝度B1minと比較される(ステップS7B)。最高輝度Bmaxが第1下限輝度B1min以上の場合は、最高輝度Bmaxに対応する可動ミラー121での現状の反射率がそのまま用いられる。最高輝度Bmaxが予め設定された第1下限輝度B1minよりも小さい場合は、最高輝度Bmaxに対応する可動ミラー121の反射率が所定の割合で増加され、増加後の反射率が新たな反射率としてRAM10aに格納される(ステップS8、図8(A)参照)。
ステップS6、S7A、S7BおよびS8により、最高輝度Bmaxが所定の範囲内(第1上限輝度B1max〜第1下限輝度B1min)に維持されやすくなる。
On the other hand, when the maximum brightness Bmax is equal to or less than the first upper limit brightness B1max, it can be determined that the amount of incident light in the unit region Q corresponding to the maximum brightness Bmax is not so large that the charge of the
By steps S6, S7A, S7B, and S8, the maximum luminance Bmax is easily maintained within a predetermined range (first upper limit luminance B1max to first lower limit luminance B1min).
最高輝度Bmaxと同様に、選択された最低輝度Bminが所定の範囲内(第2上限輝度B2max〜第2下限輝度B2min)に収まっているか否かが電荷不足画素検出部51eにより判定される。選択された最低輝度Bminが予め設定された第2下限輝度B2minと電荷不足画素検出部51eにより比較される(ステップS9)。最低輝度Bminが第2下限輝度B2minよりも低い場合は、最低輝度Bminに対応する単位領域Qの入射光量が少なすぎる、と判断できる。したがって、最低輝度Bminに対応する可動ミラー121での反射率が最大値に設定される(ステップS10A、図8(B)参照)。具体的には、ROM10bに予め設定された最大反射率Rmaxが新たな反射率として座標情報とともにRAM10aに一時的に格納される。最低輝度Bminに対応する単位領域Qが複数箇所存在する場合は、それらの単位領域Qの座標情報とともに最大反射率RmaxがRAM10aに一時的に格納される。
Similarly to the maximum luminance Bmax, the insufficient charge
一方、最低輝度Bminが第2下限輝度B2min以上の場合は、最低輝度Bminに対応する4画素の入射光量が少なすぎるということはない、と判断できる。この場合、電荷不足画素検出部51eにより最低輝度Bminが予め設定された第2上限輝度B2maxと比較される(ステップS10B)。最低輝度Bminが第2上限輝度B2max以上の場合は、最低輝度Bminの4画素に対応する可動ミラー121での現状の反射率がそのまま用いられる。最低輝度Bminが予め設定された第2上限輝度B2maxよりも大きい場合は、最低輝度Bminの4画素に対応する可動ミラー121の反射率が所定の割合で減少され、減少後の反射率が新たな反射率としてRAM10aに格納される(ステップS11、図8(A)参照)。
ステップS9、S10A、S10BおよびS11により、最低輝度Bminが所定の範囲内(第2上限輝度B2max〜第2下限輝度B2min)に維持されやすくなる。
On the other hand, when the minimum luminance Bmin is equal to or higher than the second lower limit luminance B2min, it can be determined that the amount of incident light of the four pixels corresponding to the minimum luminance Bmin is not too small. In this case, the minimum luminance Bmin is compared with the preset second upper limit luminance B2max by the insufficient charge
By steps S9, S10A, S10B, and S11, the minimum luminance Bmin is easily maintained within a predetermined range (second upper limit luminance B2max to second lower limit luminance B2min).
さらに、最高輝度Bmaxに対応する単位領域Qおよび最低輝度Bminに対応する単位領域Q以外の単位領域Qにおいて、各可動ミラー121の反射率が反射率設定部51gにより算出される(ステップS12)。具体的には、最高輝度Bmax、最低輝度Bmin、最高輝度Bmaxに対応する単位領域Qの反射率および最低輝度Bminに対応する単位領域Qの反射率に基づいて、反射率設定部51gにより、各平均輝度Bxに対応する反射率Rxが例えば直線補間により算出される(図8(A)および図8(B)参照)。本実施形態では、反射率Rxの算出は図8(A)および図8(B)に示される一点鎖線に基づいて算出される。算出された反射率Rxは単位領域Qの座標情報とともにRAM10aに一時的に格納される。
反射率の算出後、算出された反射率に基づいて各可動ミラー121が駆動ユニット125により駆動される(ステップS13)。具体的には、駆動制御部51aにより各アクチュエータ126が制御され、可動ミラー121の第1状態E1および第2状態E2の切り替えが反射率に応じて実行される。これにより、最高輝度Bmaxおよび最低輝度Bminを所定の範囲内に保ちやすくなり、反射ユニット120を用いてダイナミックレンジが調整される。
Further, in the unit region Q other than the unit region Q corresponding to the highest luminance Bmax and the unit region Q corresponding to the lowest luminance Bmin, the reflectance of each
After calculating the reflectance, each
ここで、図8(A)および図8(B)を用いて、ステップS6〜ステップS13までの処理により得られる効果について詳細に説明する。
図8(A)に示すように、最高輝度Bmaxが第1下限輝度B1minよりも小さく、かつ、最低輝度Bminが第2上限輝度B2maxよりも大きい場合、各可動ミラー121の反射率Rxと平均輝度Bxとの関係は実線のように表現できる。最高輝度Bmaxは点P11で表現でき、最低輝度Bminは点P21で表現できる。前述のように、最高輝度Bmaxが第1下限輝度B1minよりも小さい場合、最高輝度Bmaxに対応する可動ミラー121の反射率が増加し、最低輝度Bminが第2上限輝度B2maxよりも大きい場合、最低輝度Bminに対応する可動ミラー121の反射率が減少する(ステップ7BおよびS8)。したがって、図8(A)に示すように、可動ミラー121駆動前であれば、点R11が点R12に移動し、点R21が点R22に移動する。つまり、ステップS12において反射率Rxが直線補間により算出されると、RAM10aに記憶されている平均輝度Bxと反射率Rxとの関係は一点鎖線で表現できる。
Here, the effects obtained by the processing from step S6 to step S13 will be described in detail with reference to FIGS. 8A and 8B.
As shown in FIG. 8A, when the maximum brightness Bmax is smaller than the first lower limit brightness B1min and the minimum brightness Bmin is greater than the second upper limit brightness B2max, the reflectance Rx and the average brightness of each
さらに、ステップS13において可動ミラー121が駆動されると、反射率増加に伴い最高輝度Bmaxが増加し、反射率減少に伴い最低輝度Bminが減少する。つまり、可動ミラー121の駆動後は、点R12が点R13に移動し、点R22が点R23に移動することが期待できる。したがって、例えば、可動ミラー121の駆動後は、実際の平均輝度と反射率との関係は図8(A)に示す破線のようになり、上記の処理によりダイナミックレンジが適正なレベルに維持されることが分かる。
また、図8(B)に示すように、最高輝度Bmaxが第1上限輝度B1maxよりも大きく、かつ、最低輝度Bminが第2下限輝度B2minよりも小さい場合、各可動ミラー121の反射率Rxと平均輝度Bxとの関係は実線のように表現できる。最高輝度Bmaxは点T11で表現でき、最低輝度Bminは点T21で表現できる。前述のように、最高輝度Bmaxが第1上限輝度B1maxよりも大きい場合、最高輝度Bmaxに対応する可動ミラー121の反射率が最小反射率Rminに設定され(ステップS6およびS7A)、最低輝度Bminが第2下限輝度B2minよりも小さい場合、最低輝度Bminに対応する可動ミラー121の反射率が最大反射率Rmaxに設定される(ステップS9およびS10A)。したがって、図8(B)に示すように、可動ミラー121駆動前であれば、点T11が点T12に移動し、点T21が点T22に移動する。つまり、ステップS12において反射率Rxが直線補間により算出されると、RAM10aに記憶されている平均輝度Bxと反射率Rxとの関係は一点鎖線で表現できる。
Furthermore, when the
Further, as shown in FIG. 8B, when the maximum luminance Bmax is larger than the first upper limit luminance B1max and the minimum luminance Bmin is smaller than the second lower limit luminance B2min, the reflectance Rx of each
さらに、ステップS13において可動ミラー121が駆動されると、反射率が最小反射率Rminに設定されたことに伴い最高輝度Bmaxが減少し、反射率が最大反射率Rmaxに設定されたことに伴い最低輝度Bminが増加する。つまり、可動ミラー121の駆動後は、点T12が点T13に移動し、点T22が点T23に移動することが期待できる。したがって、例えば、可動ミラー121の駆動後は、実際の平均輝度と反射率との関係は図8(B)に示す破線のようになり、上記の処理によりダイナミックレンジが適正なレベルに維持されることが分かる。
なお、HDR(High Dynamic Range)撮影を行う場合に、上記の制御に加えて、各画素の輝度情報に基づいて各画素が適正露光となるように各可動ミラー121の反射率を設定してもよい。
Furthermore, when the
In addition, when performing HDR (High Dynamic Range) imaging, in addition to the above control, the reflectance of each
可動ミラー121の駆動後、レリーズボタン30の状態がボディーコントローラ10により監視される(ステップS14)。レリーズボタン30が半押し操作されるまで、ステップS2〜S13の処理が繰り返される。一方、レリーズボタン30の半押し操作がボディーコントローラ10により検出されると、測光処理やフォーカシングなどの撮影準備動作が開始される(ステップS15)。
ここで、測光方式には、中央重点測光、スポット測光および分割測光など、様々な方式が存在するが、通常、適正な露出となるように、測光方式に応じて各画素の電荷量に重み付けがなされる。ここでいう適正露出とは、選択された測光方式に対応する測光領域で電荷飽和や電荷不足が発生しない状態をいう。ステップS3〜S13において反射ユニット120を利用してダイナミックレンジが適正なレベルに維持されているので、いわゆる白飛び(Blown out highlights)や黒つぶれ(Blocked up shadows)を抑制でき、測光処理の精度を高めることができるとともに、撮影画像の画質が向上する。
After the
Here, there are various types of metering methods such as center-weighted metering, spot metering, and split metering.Normally, the charge amount of each pixel is weighted according to the metering method so that appropriate exposure is obtained. Made. The term “appropriate exposure” as used herein refers to a state in which charge saturation or charge shortage does not occur in the photometry area corresponding to the selected photometry method. Since the dynamic range is maintained at an appropriate level using the
また、フォーカシング時には、いわゆるコントラスト検出方式によるAFが行われるが、ダイナミックレンジが適正なレベルに維持されているので、AFの精度の向上も期待できる。
撮影準備動作後、レリーズボタン30の状態がボディーコントローラ10により監視される(ステップS16)。具体的には、レリーズボタン30の全押しがボディーコントローラ10により検出されると、算出されたシャッタースピードで撮像素子110により画像データが取得され、画像データに所定の処理が施された後、処理後の画像データが画像記録部18に記録される(ステップS17およびS18)。画像の記録後、ステップS2から処理が繰り返される。
なお、レリーズボタン30が全押しされずに半押しが解除されると、処理がステップS2に戻る(ステップS19)。
In focusing, AF is performed by a so-called contrast detection method. However, since the dynamic range is maintained at an appropriate level, an improvement in AF accuracy can be expected.
After the shooting preparation operation, the state of the
If the half-press is released without the
<特徴>
(1)以上に説明したように、この撮像素子ユニット100では、各光電変換素子119の透過光が可動ミラー121により光電変換部114へ反射されるので、光電変換素子119に入射するトータルの光量を増やすことができ、同じ入射光量に対する撮像素子110の受光感度を高めることができる。それに加えて、複数の可動ミラー121の光電変換部114に対する角度を駆動ユニット125により個別に変更することができるので、各光電変換素子119に入射する反射光量を可動ミラー121ごとに調整することができる。
したがって、この撮像素子ユニット100であれば、撮像素子110の受光感度を高めつつ電荷の飽和を抑制することができる。
<Features>
(1) As described above, in this
Therefore, the
(2)この撮像素子ユニット100では、光電変換素子119と反射ユニット120との間に回路部118が配置されているので、回路部118に遮られることなく光が光電変換素子119に入射可能となっている。したがって、光電変換素子119の入射側に回路部が配置されている場合(つまり、表面照射型撮像素子)に比べて、開口率が高まり、その結果、撮像素子110の受光感度を高めることができる。さらに、裏面照射型の撮像素子110を反射ユニット120と組み合わせることで、撮像素子110の受光感度をさらに高めることができ、夜間などの光量が少ない撮影環境でも撮影が可能となる。
(3)また、光電変換素子119と反射ユニット120との間に回路部118が配置されているので、光電変換素子119の透過光が可動ミラー121で反射して隣接する光電変換素子119に入射してしまうのを抑制できる。さらに、格子状の背面マスク117が分離領域と複数の可動ミラー121との間に配置されているので、光電変換素子119の透過光が可動ミラー121で反射して隣接する光電変換素子119に再入射してしまうのを防止できる。これらの構成により、反射ユニット120を設けることに起因して各光電変換素子119から得られる輝度情報の精度が低下するのを防止できる。
(2) In this
(3) Further, since the
(4)1つの可動ミラー121が4つの光電変換素子119の透過光を受光可能に配置されているので、可動ミラー121の数量を少なくすることができ、反射ユニット120を駆動するための演算等の処理量を低減できる。つまり、この撮像素子ユニット100では、処理速度の低減を抑制しつつ反射ユニット120により撮像素子110の受光感度を高めることができる。
(5)以上のように、撮像素子ユニット100を有するデジタルカメラ1であれば、高感度かつ広ダイナミックレンジの撮影が可能となる。
<他の実施形態>
本発明の実施形態は、前述の実施形態に限られず、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々の修正および変更が可能である。また、前述の実施形態は、本質的に好ましい例示であって、本発明、その適用物、あるいはその用途の範囲を制限することを意図するものではない。
(4) Since one
(5) As described above, with the
<Other embodiments>
Embodiments of the present invention are not limited to the above-described embodiments, and various modifications and changes can be made without departing from the spirit of the present invention. The above-described embodiments are essentially preferable examples, and are not intended to limit the scope of the present invention, its application, or its use.
(1)前述の実施形態では、静止画撮影を例に撮像素子ユニット100の動作を説明しているが、撮像素子ユニット100は静止画撮影だけでなく動画撮影にも用いることができる。つまり、撮像素子ユニット100であれば、静止画および動画撮影においてHDR(High Dynamic Range)画像の取得が可能である。
なお、撮像素子ユニット100が搭載される撮像装置としては、例えばデジタルスチルカメラ(レンズ交換式デジタルカメラも含む)、デジタルビデオカメラ、カメラ付き携帯電話、カメラ付きPDAおよび監視カメラなどの画像を取得可能な装置が考えられる。
(2)前述の実施形態では、1つの可動ミラー121が4つの光電変換素子119の透過光を受光可能に配置されているが、可動ミラー121と光電変換素子119との対応関係は前述の実施形態に限定されない。例えば、可動ミラー121および光電変換素子119が1対1で配置されていてもよいし、1つの可動ミラー121が2つの光電変換素子119の透過光を受光可能に配置されていてもよい。さらに、1つの可動ミラー121が5つ以上の光電変換素子119の透過光を受光可能に配置されていてもよい。可動ミラー121および光電変換素子119が1対1で配置されている場合、第1ピッチP1は第2ピッチP2と同じとなる。
(1) In the above-described embodiment, the operation of the
In addition, as an imaging device in which the
(2) In the above-described embodiment, one
(3)前述の実施形態では、1つの可動ミラー121が4つの光電変換素子119の透過光を受光可能に配置されているので、4画素の平均輝度を基準に反射ユニット120を用いてダイナミックレンジを拡大しているが、1つの画素の輝度を基準にダイナミックレンジを拡大してもよい。さらに、例えば、単位領域Q内の4画素のうち緑色フィルタGに対応する2画素の平均輝度を基準に演算が行われてもよい。
(4)前述の実施形態では、画像データ全体についてダイナミックレンジの拡大処理が行われているが、例えば、ある特定の領域に対して同様の処理を行うことも考えられる。例えば、顔認識技術と組み合わせて画像データのうち特定の領域に対してダイナミックレンジの拡大処理を行ってもよい。この場合、被写体の顔の一部(例えば、頬)の白飛びを抑制あるいは防止できる。また、逆光撮影時において、背景の明るい部分の輝度を抑えつつ人物の輝度を高くすることも可能である。
(3) In the above-described embodiment, since one
(4) In the above-described embodiment, the dynamic range expansion process is performed on the entire image data. However, for example, the same process may be performed on a specific area. For example, a dynamic range expansion process may be performed on a specific area of the image data in combination with the face recognition technique. In this case, whiteout of a part of the subject's face (eg cheek) can be suppressed or prevented. In backlight photography, it is also possible to increase the brightness of a person while suppressing the brightness of a bright part of the background.
さらに、監視カメラで夜間の撮影を行う場合、通常の撮像素子ユニットを用いると発光看板や不審者の持つ懐中電灯などの影響で全体の露光が抑えられてしまい、目的とする被写体が暗くなりがちである。しかし、この撮像素子ユニット100であれば、この様な場合でも明るい領域に対応する可動ミラー121の反射率を下げることで、監視カメラとしての機能を十分に果たすことが可能となる。
(5)図6および図7に示す動作フローチャートは撮像素子ユニット100の動作を説明するための単なる一例であって、撮像素子ユニット100の動作は図6および図7に示すフローチャットに限定されない。例えば、ステップS7Aにおいて最高輝度Bmaxに対応する可動ミラー121での反射率が最小反射率Rminに設定されているが、ある特定の割合で反射率を減少させる処理であってもよい。また、ステップS10Aにおいて最低輝度Bminに対応する可動ミラー121での反射率が最大反射率Rmaxに設定されているが、ある特定の割合で反射率を増加させる処理であってもよい。
In addition, when taking pictures at night with a surveillance camera, using a normal image sensor unit reduces the overall exposure due to the effects of light emitting signs and flashlights held by suspicious individuals, and the target subject tends to be dark. It is. However, with this
(5) The operation flowchart shown in FIGS. 6 and 7 is merely an example for explaining the operation of the
また、前述の実施形態では、最高輝度Bmaxおよび最低輝度Bminが所定の範囲内に収まるようにステップS6〜S11の処理が行われるが、ステップS6およびS7Aの処理だけを実行すれば、電荷の飽和を抑制することができる。
具体的には、所定の範囲内(例えば、第1上限輝度B1max〜第1下限輝度B1min)に最高輝度Bmaxが収まるように処理が行われているが、ステップS7BおよびS8の処理が省略されてもよい。この場合であっても、最高輝度Bmaxが第1上限輝度B1max以下になるように処理が行われるので、光電変換部114での電荷の飽和を抑制できる。
同様に、前述の実施形態では、所定の範囲内(例えば、第2上限輝度B2max〜第2下限輝度B2min)に最低輝度Bminが収まるように処理が行われているが、ステップS10BおよびS11が省略されてもよい。この場合であっても、最低輝度Bminが第2下限輝度B2min以上になるように処理が行われているので、光電変換部114での電荷の不足を抑制できる。
In the above-described embodiment, the processes in steps S6 to S11 are performed so that the maximum luminance Bmax and the minimum luminance Bmin are within a predetermined range. However, if only the processes in steps S6 and S7A are performed, charge saturation is performed. Can be suppressed.
Specifically, the process is performed so that the maximum brightness Bmax is within a predetermined range (for example, the first upper limit brightness B1max to the first lower limit brightness B1min), but the processes in steps S7B and S8 are omitted. Also good. Even in this case, the processing is performed so that the maximum luminance Bmax is equal to or lower than the first upper limit luminance B1max, so that the charge saturation in the
Similarly, in the above-described embodiment, the process is performed so that the minimum luminance Bmin is within a predetermined range (for example, the second upper limit luminance B2max to the second lower limit luminance B2min), but steps S10B and S11 are omitted. May be. Even in this case, since the process is performed so that the minimum luminance Bmin is equal to or higher than the second lower limit luminance B2min, the shortage of electric charge in the
上記の技術であれば、受光感度を高めつつ電荷の飽和を抑制することができるので、上記の技術は撮像装置の分野で有用である。 The technique described above is useful in the field of imaging devices because charge saturation can be suppressed while increasing the light receiving sensitivity.
1 デジタルカメラ(撮像装置の一例)
10 ボディーコントローラ(制御部の一例)
51a 駆動制御部
51b 選択部
51c 飽和画素検出部
51e 電荷不足画素検出部
51f 輝度算出部
51g 反射率設定部
100 撮像素子ユニット
110 撮像素子
111 補強ガラス
112 マイクロレンズ
113 光電変換部
114 カラーフィルタ
116 分離領域
117 背面マスク(遮光部の一例)
118 回路部
119 光電変換素子
119a 受光面
120 反射ユニット
121 可動ミラー(反射光学素子の一例)
122 ヨーク
123 電極
124 CMOS基板
125 駆動ユニット
126 アクチュエータ
127 支持部
128 ヒンジ部
1 Digital camera (an example of an imaging device)
10 Body controller (an example of control unit)
51a
122
Claims (15)
マトリックス状に配置され前記光電変換部の透過光を前記光電変換部に向けて反射する複数の反射光学素子と、
各前記反射光学素子の前記光電変換部に対する角度を個別に変更可能な駆動ユニットと、
を備えた撮像素子ユニット。 A photoelectric conversion unit having a plurality of photoelectric conversion elements arranged in a matrix and converting light into electric charges, and a light receiving surface formed by the plurality of photoelectric conversion elements and receiving incident light;
A plurality of reflective optical elements that are arranged in a matrix and reflect the light transmitted through the photoelectric conversion unit toward the photoelectric conversion unit;
A drive unit capable of individually changing an angle of each of the reflective optical elements with respect to the photoelectric conversion unit;
An image sensor unit comprising:
請求項1に記載の撮像素子ユニット。 Each of the reflective optical elements is disposed so as to be able to receive the transmitted light of at least one of the photoelectric conversion units,
The image sensor unit according to claim 1.
請求項1または2に記載の撮像素子ユニット。 Each of the reflective optical elements is disposed at a position capable of receiving light transmitted through two or more of the photoelectric conversion elements.
The image sensor unit according to claim 1.
前記複数の光電変換素子は、第2ピッチでマトリックス状に配置されており、
前記第1ピッチは、前記第2ピッチと同じか、または、前記第2ピッチよりも大きい、
請求項1から3のいずれかに記載の撮像素子ユニット。 The plurality of reflective optical elements are arranged in a matrix at a first pitch,
The plurality of photoelectric conversion elements are arranged in a matrix at a second pitch,
The first pitch is the same as the second pitch or larger than the second pitch.
The image sensor unit according to claim 1.
請求項1から4のいずれかに記載の撮像素子ユニット。 The drive unit is disposed on the opposite side of the photoelectric conversion units of the plurality of reflective optical elements,
The image sensor unit according to claim 1.
請求項1から5のいずれかに記載の撮像素子ユニット。 Further comprising a Bayer color filter disposed on the opposite side of the photoelectric conversion unit from the reflective optical element,
The imaging device unit according to claim 1.
請求項1から6のいずれかに記載の撮像素子ユニット。 A circuit unit that is disposed between the photoelectric conversion unit and the plurality of reflective optical elements and further transmits the electric charges generated by the photoelectric conversion elements;
The imaging device unit according to claim 1.
前記分離領域と前記複数の反射光学素子との間に配置された格子状の遮光部と、をさらに備えた、
請求項1から7のいずれかに記載の撮像素子ユニット。 A grid-like separation region disposed between the plurality of photoelectric conversion elements;
A lattice-shaped light shielding portion disposed between the separation region and the plurality of reflective optical elements,
The image sensor unit according to claim 1.
請求項1から8のいずれかに記載の撮像素子ユニット。 The reflective optical element and the drive unit include MEMS (Micro Electro Mechanical Systems),
The image sensor unit according to claim 1.
請求項1から9のいずれかに記載の撮像素子ユニット。 The reflective optical element and the drive unit include a DMD (Digital Micromirror Device),
The image sensor unit according to claim 1.
前記撮像素子ユニットで生成された電気信号に所定の処理を施し画像データを生成する画像処理部と、
前記画像処理部で生成された前記画像データに基づいて前記駆動ユニットを制御する制御部と、
備えた撮像装置。 The image sensor unit according to any one of claims 1 to 10,
An image processing unit that performs predetermined processing on the electrical signal generated by the imaging element unit to generate image data;
A control unit that controls the drive unit based on the image data generated by the image processing unit;
An imaging apparatus provided.
前記制御部は、前記画像データに基づいて前記複数のアクチュエータを個別に制御する、
請求項11に記載の撮像装置。 The drive unit has a plurality of actuators that individually drive the reflective optical elements,
The control unit individually controls the plurality of actuators based on the image data.
The imaging device according to claim 11.
請求項11または12に記載の撮像装置。 The control unit includes a luminance calculation unit that calculates luminance data corresponding to each reflective optical element from the image data, a selection unit that selects the highest luminance from the luminance data calculated by the luminance calculation unit, and the highest A reflectivity setting unit that sets the reflectivity of the reflective optical element corresponding to the brightness based on the maximum brightness,
The imaging device according to claim 11 or 12.
請求項13に記載の撮像装置。 The control unit includes a drive control unit that controls the actuator based on the reflectance set by the reflectance setting unit.
The imaging device according to claim 13.
請求項13または14に記載の撮像装置。 The reflectance setting unit newly sets the reflectance so that the reflectance at the reflective optical element corresponding to the highest brightness is reduced when the highest brightness is higher than a reference brightness.
The imaging device according to claim 13 or 14.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2010123109A JP2011250299A (en) | 2010-05-28 | 2010-05-28 | Imaging element unit and imaging apparatus |
Applications Claiming Priority (1)
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Publications (1)
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| JP2011250299A true JP2011250299A (en) | 2011-12-08 |
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Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
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| JP2010123109A Pending JP2011250299A (en) | 2010-05-28 | 2010-05-28 | Imaging element unit and imaging apparatus |
Country Status (1)
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2010
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