JP2013197796A - Image sensor and imaging device - Google Patents
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Abstract
【課題】複数の視差を生じさせる画像を取得するには、その数に応じた複雑な撮影光学系を用意しなければならなかった。
【解決手段】撮像素子であって、入射する被写体光束を電気信号に光電変換する、二次元的に配列された複数の光電変換素子と、複数の光電変換素子の少なくともいずれか一つに対応して設けられ、光学的な特性を切り替えることにより、被写体光束の断面領域内の少なくとも一部を遮光する閉状態と、一部を透過する開状態との間を切り替え可能な開閉部とを備える。
【選択図】図1In order to acquire an image that generates a plurality of parallaxes, it has been necessary to prepare a complicated photographing optical system corresponding to the number of images.
An imaging element that corresponds to at least one of a plurality of two-dimensionally arranged photoelectric conversion elements that photoelectrically convert an incident subject light beam into an electric signal, and a plurality of photoelectric conversion elements. And an open / close section that can switch between a closed state in which at least part of the cross-sectional area of the subject light beam is shielded and an open state in which part is transmitted by switching optical characteristics.
[Selection] Figure 1
Description
本発明は、撮像素子および撮像装置に関する。 The present invention relates to an imaging element and an imaging apparatus.
2つの撮影光学系を用いて、右目用の画像と左目用の画像とから成るステレオ画像を撮像するステレオ撮像装置が知られている。このようなステレオ撮像装置は、2つの撮像光学系を一定の間隔で配置することにより、同一の被写体を撮像して得られる2つの画像に視差を生じさせる。
[先行技術文献]
[特許文献]
[特許文献1] 特開平8−47001号公報
A stereo imaging device that captures a stereo image composed of a right-eye image and a left-eye image using two imaging optical systems is known. Such a stereo imaging device causes parallax to occur in two images obtained by imaging the same subject by arranging two imaging optical systems at regular intervals.
[Prior art documents]
[Patent Literature]
[Patent Document 1] JP-A-8-47001
しかしながら、複数の視差を生じさせる画像を取得するには、その数に応じた複雑な撮影光学系を用意しなければならなかった。 However, in order to acquire an image that generates a plurality of parallaxes, it has been necessary to prepare a complicated photographing optical system corresponding to the number of images.
本発明の第1の態様においては、撮像素子であって、入射する被写体光束を電気信号に光電変換する、二次元的に配列された複数の光電変換素子と、複数の光電変換素子の少なくともいずれか一つに対応して設けられ、光学的な特性を切り替えることにより、被写体光束の断面領域内の少なくとも一部を遮光する閉状態と、一部を透過する開状態との間を切り替え可能な開閉部とを備える。 In the first aspect of the present invention, the imaging device is at least one of a plurality of two-dimensionally arranged photoelectric conversion devices that photoelectrically convert an incident subject light beam into an electric signal, and a plurality of photoelectric conversion devices. By switching the optical characteristics, it is possible to switch between a closed state that shields at least part of the cross-sectional area of the subject luminous flux and an open state that transmits part of it. And an opening / closing part.
本発明の第2の態様においては、撮像装置であって、上記撮像素子と、撮像素子により撮像された撮像信号を読み出して、撮像時の開閉部の開閉状態に基づいた画像データを生成する画像処理部とを備える。 In the second aspect of the present invention, the image pickup apparatus is an image pickup device that reads out the image pickup device and an image pickup signal picked up by the image pickup device and generates image data based on an open / close state of an open / close unit at the time of image pickup. A processing unit.
なお、上記の発明の概要は、本発明の必要な特徴の全てを列挙したものではない。また、これらの特徴群のサブコンビネーションもまた、発明となりうる。 It should be noted that the above summary of the invention does not enumerate all the necessary features of the present invention. In addition, a sub-combination of these feature groups can also be an invention.
以下、発明の実施の形態を通じて本発明を説明するが、以下の実施形態は特許請求の範囲にかかる発明を限定するものではない。また、実施形態の中で説明されている特徴の組み合わせの全てが発明の解決手段に必須であるとは限らない。 Hereinafter, the present invention will be described through embodiments of the invention, but the following embodiments do not limit the invention according to the claims. In addition, not all the combinations of features described in the embodiments are essential for the solving means of the invention.
撮像装置の一形態である本実施形態に係るデジタルカメラは、高い解像度を保ったまま、一の撮像素子で、複数の視点からの被写体光束を撮像して画像データを生成する。互いに視点の異なるそれぞれの画像を視差画像と呼ぶ。 The digital camera according to the present embodiment, which is an embodiment of the imaging device, generates image data by imaging subject light flux from a plurality of viewpoints with a single imaging device while maintaining high resolution. Each image having a different viewpoint is called a parallax image.
図1は、本発明の実施形態に係るデジタルカメラ10の構成を説明する図である。デジタルカメラ10は、撮影光学系としての撮影レンズ20を備え、光軸21に沿って入射する被写体光束を撮像素子100へ導く。撮影レンズ20は、デジタルカメラ10に対して着脱できる交換式レンズであっても構わない。デジタルカメラ10は、撮像素子100、駆動部230、制御部201、A/D変換回路202、メモリ203、画像処理部205、メモリカードIF207、操作部208、表示部209、LCD駆動回路210およびAFセンサ211を備える。
FIG. 1 is a diagram illustrating the configuration of a
なお、図示するように、撮像素子100へ向かう光軸21に平行な方向をz軸プラス方向と定め、z軸と直交する平面において紙面手前へ向かう方向をx軸プラス方向、紙面上方向をy軸プラス方向と定める。以降のいくつかの図においては、図1の座標軸を基準として、それぞれの図の向きがわかるように座標軸を表示する。
As shown in the figure, the direction parallel to the
撮影レンズ20は、複数の光学レンズ群から構成され、シーンからの被写体光束をその焦点面近傍に結像させる。なお、図1では撮影レンズ20を説明の都合上、瞳近傍に配置された仮想的な1枚のレンズで代表して表している。
The taking
撮像素子100は、撮影レンズ20の焦点面近傍に配置されている。撮像素子100は、二次元的に複数の光電変換素子が配された、例えばCCD、CMOSセンサ等のイメージセンサである。以下、CMOSの例で説明するが、CCDに適用することもできる。
The
駆動部230は、撮像素子100の光電変換素子からの画像信号を読み取るべく駆動する読取駆動部232と、後述する開閉駆動部234とを有する。撮像素子100は、読取駆動部232によりタイミング制御されて、受光面上に結像された被写体像を画像信号に変換してA/D変換回路202へ出力する。
The driving
A/D変換回路202は、撮像素子100が出力する画像信号をデジタル画像信号に変換してメモリ203へ出力する。画像処理部205は、メモリ203をワークスペースとして種々の画像処理を施し、画像データを生成する。
The A /
画像処理部205は、他にも、撮像素子100の画素配列に即して、入力される画像信号から、視差画像データ、非視差画像データとしての2D画像データ等を生成したり、選択された画像フォーマットに従って画像データを調整する機能も担う。
In addition, the
生成された画像データは、LCD駆動回路210により表示信号に変換され、表示部209に表示される。また、メモリカードIF207に装着されているメモリカード220に記録される。
The generated image data is converted into a display signal by the
AFセンサ211は、被写体空間に対して複数の測距点が設定された位相差センサであり、それぞれの測距点において被写体像のデフォーカス量を検出する。一連の撮影シーケンスは、操作部208がユーザの操作を受け付けて、制御部201へ操作信号を出力することにより開始される。撮影シーケンスに付随するAF,AE等の各種動作は、制御部201に制御されて実行される。例えば、制御部201は、AFセンサ211の検出信号を解析して、撮影レンズ20の一部を構成するフォーカスレンズを移動させる合焦制御を実行する。なお、以下の撮像素子100をAFセンサ211の代わりに用いてもよく、その場合には別個のAFセンサ211は設けなくてよい。
The
図2は、撮像素子100の断面を表す概略図である。図3は、図2の撮像素子100を被写体側からみた概略を示す概略図である。
FIG. 2 is a schematic diagram illustrating a cross section of the
図2に示すように、撮像素子100は、被写体側から順に、マイクロレンズ101、カラーフィルタ102、液晶シャッタ300、配線層105および光電変換素子108が配列されて構成されている。光電変換素子108は、入射する光を電気信号に変換するフォトダイオードにより構成される。光電変換素子108は、基板109の表面に二次元的に複数配列されている。また、図3に示すように、基板109には光電変換素子108に隣接して、当該光電変換素子108からの電荷を蓄積するフローティングディフュージョン142、および、選択トランジスタ、増幅トランジスタ等の回路が配された回路領域140が配される。
As shown in FIG. 2, the
光電変換素子108が設けられた層の上には絶縁層144を介して配線層105が配される。光電変換素子108により変換された画像信号、光電変換素子108を制御する制御信号等は、配線層105に設けられた配線106を介して送受信される。
A
絶縁層144の上には光電変換素子108への入射する被写体光束を規定する液晶シャッタ300が配される。液晶シャッタ300は、一対の基板304、306と、当該一対の基板304、306の間に封入された液晶320と、当該液晶320を基板304、306との間で保持するシール部302とを有する。液晶シャッタ300はさらに、光電変換素子108に対応して設けられた個別電極310と駆動素子350の組と、複数の光電変換素子108に共通して用いられる共通電極316とを有する。
On the insulating
図2および図3に示す例において、一つの光電変換素子108に対して、個別電極310と駆動素子350との組、および、個別電極312と駆動素子352との組が設けられる。個別電極310と駆動素子350との組、および、個別電極312と駆動素子352との組は、対応する光電変換素子108に対してx方向に配列される。すなわち、一の画素に対応して液晶シャッタ300が二つのセグメントに分かれている。
In the example shown in FIGS. 2 and 3, a set of the
カラーフィルタ102は、液晶シャッタ300上に設けられる。カラーフィルタ102は、各光電変換素子108に対して特定の波長帯域を透過させるように着色され、光電変換素子108のそれぞれに一対一に対応して設けられる。カラー画像を出力するには、互いに異なる少なくとも2種類のカラーフィルタが配列されれば良いが、より高画質のカラー画像を取得するには3種類以上のカラーフィルタを配列すると良い。例えば赤色波長帯を透過させる赤フィルタ、緑色波長帯を透過させる緑フィルタ、および青色波長帯を透過させる青フィルタを格子状に配列すると良い。
The
マイクロレンズ101は、カラーフィルタ102上に設けられる。マイクロレンズ101は、入射する被写体光束のより多くを光電変換素子108へ導くための集光レンズである。マイクロレンズ101は、光電変換素子108のそれぞれに一対一に対応して設けられる。マイクロレンズ101は、撮影レンズ20の瞳中心と光電変換素子108の相対的な位置関係を考慮して、より多くの被写体光束が光電変換素子108に導かれるようにその光軸がシフトされていることが好ましい。
The
このように、各々の光電変換素子108に対応して一対一に設けられる液晶シャッタ300、カラーフィルタ102およびマイクロレンズ101の一単位を画素と呼ぶ。例えば、撮像素子100の有効画素領域が24mm×16mm程度の場合、画素数は1200万程度に及ぶ。
As described above, one unit of the
なお、集光効率、光電変換効率が良いイメージセンサの場合は、マイクロレンズ101を設けなくても良い。また、裏面照射型イメージセンサの場合は、配線層105が光電変換素子108とは反対側に設けられる。
Note that in the case of an image sensor with good light collection efficiency and photoelectric conversion efficiency, the
説明のため、図2および図3の2つの画素の内の−x側については個別電極310側の開閉領域361が開状態であり、個別電極312側の開閉領域362は閉状態にある。また、+x側については個別電極310側の開閉領域363が閉状態で、個別電極312側の開閉領域364は開状態にある。
For the sake of explanation, the open /
図3に示すように、個別電極310は平面視において光電変換素子108が配された領域の一部、例えば図3に示す例においては−x側の略半分を覆う。同様に、個別電極312は平面視において光電変換素子108が配された領域における、個別電極310が覆うのとは別の領域を覆う。例えば図3に示す例においては、個別電極310が−x側の略半分を覆うことに対応して、個別電極312は+x側の略半分を覆う。
As shown in FIG. 3, the
よって、図3の−x側の画素においては、光電変換素子108に向かう被写体光束の断面領域のうち、+x側の略半分が閉状態の開閉領域362により遮られ、−x側に光学的に有効な開口104lが形成される。同様に、+x側の画素においては、光電変換素子108に向かう被写体光束の断面領域のうち、−x側の略半分が閉状態の開閉領域363により遮られ、+x側に光学的に有効な開口104lが形成される。
Therefore, in the pixel on the −x side in FIG. 3, approximately half of the cross-sectional area of the subject light beam toward the
なお、配線層105の配線106が作る開口107によっても被写体光束は制限される。ただし、本実施形態においては光学系の瞳上において開口107は光電変換素子108および個別電極310、312よりも十分に大きいとし、当該開口107は実質的に有効な開口の形成に寄与しない。
Note that the subject luminous flux is also limited by the
図4は、液晶シャッタ300の概略断面図である。図4においては、個別電極310と駆動素子350の一つの組を示している。液晶シャッタ300は、上記個別電極310、駆動素子350、一対の基板304、306およびシール部302に加え、偏光フィルム365、366、接続部360および配向膜321、322を有する。
FIG. 4 is a schematic sectional view of the
基板306は可視光に対して透明で光学的に等方な材料、例えばガラスで形成される。基板306における光電変換素子108から遠い側の面には、偏光フィルム366が配される。偏光フィルム366は光学軸を有し、入射光のうち当該光学軸に平行な偏光方向を有する光を透過する。図4に示す例において、偏光フィルム366の光学軸はx方向に配されており、x方向の偏光を透過するとともにy方向の偏光は遮断する。
The
基板306における偏光フィルム366が配されるのとは反対の面に、共通電極316が配される。共通電極316は可視光に対して透明であって導電性を有する材料、例えばITO膜により形成される。共通電極316は、複数の個別電極310に対して一つ配される。図4に示す例において、共通電極316は、基板306の全面にすなわち撮像素子100の全体で一つ配される。
A
共通電極316おける基板306と反対の面には、配向膜321が配される。配向膜321は高分子が配向した膜であって、例えば、ポリイミドをラビングすることにより形成される。配向膜321の配向方向は偏光フィルム366の光学軸と平行に配される。
An
他方の基板304も、基板306と同じ材料により形成される。また、基板304における光電変換素子108から近い側の面には、偏光フィルム365が配される。偏光フィルム365も偏光フィルム366と同様に、入射光のうち光学軸に平行な偏光方向の光を透過する。図4に示す例において、偏光フィルム366は、y方向の偏光を透過するとともにx方向の偏光は遮断する。これにより一対の偏光フィルム365、366はいわゆるクロスニコルに配されている。
The
基板304における偏光フィルム365が配されるのとは反対の面には、個別電極310、駆動素子350および接続部360が配される。個別電極310は、図3に示したように、平面視において光電変換素子108が配された領域の一部、例えば−x側の略半分を覆う。個別電極310は共通電極316と同じ材料で形成される。駆動素子350は開閉駆動部234と電気的に接続され、当該開閉駆動部234からの駆動信号に基づいて、個別電極310と共通電極316との間に電圧をかけたり、当該電圧をゼロにしたりする。駆動素子350の一例はトランジスタによるスイッチである。接続部360は駆動素子350と個別電極310とを電気的に接続する。
The
基板304における個別電極310が設けられた側の面には、配向膜322が配される。配向膜322は、配向膜321と同じ材料および方法で形成されてよい。配向膜321の配向方向は偏光フィルム365の光学軸と平行に配される。
An
一対の配向膜321、322に挟まれた領域には、液晶320が充填される。液晶320は、配向膜321、322の配向に沿って整列する。ここで一対の配向膜321、322とは直交しているので、液晶320内の高分子はツイスト配列する。よって、当該液晶320はノーマリホワイトのTNモードで動作する。すなわち、個別電極310と共通電極316との間に電圧をかけない状態ではツイスト配列を保ち、電圧をかけた状態で高分子は基板304等に対して垂直に配列する。これにより液晶320の光学的な特性を切り替える。
A region sandwiched between the pair of
上記構成を有する液晶シャッタ300によれば、駆動素子350によって、個別電極310に対して共通電極316との間に電圧を与えない状態においては、開閉領域361は光を透過する開状態となる。よって、図4に示すように開閉領域361に対応する図中Wの領域からの光Aが、光電変換素子108に入射する。一方、駆動素子350によって、個別電極310に対して共通電極316との間に電圧を与えた状態においては、開閉領域361は光を遮断する閉状態となる。よって、開閉領域361に対応する図中Wの領域からの光Aは、光電変換素子108に入射しない。
According to the
図5は、一の画素における開閉領域361、362の開閉状態と、それにより形成される開口104との関係を示す説明図である。開閉領域361、362がいずれも開状態である場合には、中央に大きな開口104cが形成される。開口104cは、開閉領域361、362以外の、配線層105の開口107等により規定され、その重心が光学系の瞳上において被写体光束の中心に位置する。よって、当該開口104cを用いて被写体を撮像した場合には、視差を生じない。視差を生じさせない画素を視差なし画素ということがある。
FIG. 5 is an explanatory diagram showing the relationship between the open / closed states of the open /
開閉領域361が閉状態かつ開閉領域362が開状態の場合には、面積が上記開口104cの略半分で図中の右側にシフトした開口104rが形成される。すなわち、開口104rは、その重心が光学系の瞳上において被写体光束の中心に対して右側に変位し、被写体光束の右半分の領域を透過させる。よって、当該開口104rを用いて被写体を撮像した場合には、視差を生じる。視差を生じさせる画素を視差画素ということがある。
When the open /
開閉領域361が開状態かつ開閉領域362が閉状態の場合には、面積が上記開口104cの略半分で図中の左側にシフトした開口104lが形成される。すなわち、開口104lは、その重心が光学系の瞳上において被写体光束の中心に対して左側に変位し、被写体光束の左半分の領域を透過させる。
When the opening /
開閉領域361、362がいずれも閉状態である場合には、開口は形成されず、光電変換素子108に被写体光束は入射しない。
When both the open /
図6は、撮像素子100の一部を拡大した様子を表す概略図である。液晶シャッタ300の開閉により形成される有効な開口104と、生じる視差の関係について説明する。ここでは、説明を簡単にすべく、カラーフィルタ102の配色については後に言及するまで考慮しない。カラーフィルタ102の配色に言及しない以下の説明においては、同色のカラーフィルタ102を有する視差画素のみを寄せ集めたイメージセンサであると捉えることができる。したがって、以下に説明する繰り返しパターンは、同色のカラーフィルタ102における隣接画素として考えても良い。
FIG. 6 is a schematic diagram illustrating a state in which a part of the
図6に示す例は、図2および図3に対応して、液晶シャッタ300により2種類の開口104l、104rが形成された状態を示す。開口104l、104rはいずれもy方向に長い長方形である。開口104lは−x側にシフトしており、開口104rは+x側にシフトしている。また、開口104lと開口104rとは、形状および大きさが同じであって、シフトの方向は反対であるが、シフト量の絶対値は同じである。
The example shown in FIG. 6 shows a state in which two types of
撮像素子100の全体は、開口104l、104rを有する2つの視差画素がx方向に並んだ光電変換素子群が、二次元的かつ周期的に配列されている。すなわち、撮像素子100は、上記光電変換素子群を含む繰り返しパターン110が、周期的に敷き詰められている。図6に示す例においては、開口104lのy方向に隣接した画素も開口104lとなるように並べられているが、他の開口が隣接するように並べられてもよい。ここで、x方向は、例えば、デジタルカメラ10を横位置で撮像する場合における水平方向である。この場合に撮像素子100上の二次元上の位置と液晶シャッタ300の開閉状態とが対応付けられたテーブルがメモリ203等に予め記録されており、開閉駆動部234が当該テーブルを参照することにより、対応する画素のそれぞれに開口104l、104rを形成する。
In the
図7は、図6に対応した、視差画素と被写体の関係を説明する概略図である。特に図7(a)は撮像素子100のうち光軸21と直交する中心に配列されている繰り返しパターン110tの光電変換素子群を示し、図7(b)は周辺部分に配列されている繰り返しパターン110uの光電変換素子群を模式的に示している。
FIG. 7 is a schematic diagram for explaining the relationship between the parallax pixels and the subject, corresponding to FIG. In particular, FIG. 7A shows a photoelectric conversion element group of a
また、図7(a)、図7(b)における被写体30は、撮影レンズ20に対して合焦位置に存在する。図7(c)は、図7(a)に対応して、撮影レンズ20に対して非合焦位置に存在する被写体30を捉えた場合の関係を模式的に示している。
In addition, the subject 30 in FIGS. 7A and 7B is in a focus position with respect to the photographing
まず、撮影レンズ20が合焦状態に存在する被写体30を捉えている場合の、視差画素と被写体の関係を説明する。被写体光束は、撮影レンズ20の瞳を通過して撮像素子100へ導かれるが、被写体光束が通過する全体の断面領域に対して、2つの部分領域PlおよびPrが規定されている。そして、例えば繰り返しパターン110t、110uを構成する光電変換素子群の+x側の視差画素は、拡大図からもわかるように、部分領域Prから射出された被写体光束のみが光電変換素子108へ到達するように、液晶シャッタ300により開口104rが形成される。同様に、−x側の視差画素に向かって、部分領域Plに対応して開口104lが形成される。
First, the relationship between the parallax pixels and the subject when the photographing
別言すれば、例えば部分領域Prと+x側の視差画素の相対的な位置関係によって定義される、部分領域Prから射出される被写体光束の主光線Rrの傾きにより、開口104rの位置が定められていると言っても良い。そして、合焦位置に存在する被写体30からの被写体光束を、開口104rを介して光電変換素子108が受光する場合、その被写体光束は、点線で図示するように、光電変換素子108上で結像する。同様に、−x側の視差画素に向かって、主光線Rlの傾きにより開口104lの位置が、定められていると言える。
In other words, for example, the position of the opening 104r is determined by the inclination of the principal ray Rr of the subject light beam emitted from the partial region Pr, which is defined by the relative positional relationship between the partial region Pr and the + x side parallax pixel. You can say that. When the
図7(a)で示すように、合焦位置に存在する被写体30のうち、光軸21と交差する被写体30上の微小領域Otから放射される光束は、撮影レンズ20の瞳を通過して、繰り返しパターン110tを構成する光電変換素子群の各画素に到達する。すなわち、繰り返しパターン110tを構成する光電変換素子群の各画素は、それぞれ2つの部分領域PrおよびPlを介して、一つの微小領域Otから放射される光束を受光している。微小領域Otは、繰り返しパターン110tを構成する光電変換素子群の各画素の位置ずれに対応する分だけの広がりを有するが、実質的には、ほぼ同一の物点と近似することができる。
As shown in FIG. 7A, the light beam emitted from the minute region Ot on the subject 30 that intersects the
同様に、図7(b)で示すように、合焦位置に存在する被写体30のうち、光軸21から離間した被写体30上の微小領域Ouから放射される光束は、撮影レンズ20の瞳を通過して、繰り返しパターン110uを構成する光電変換素子群の各画素に到達する。すなわち、繰り返しパターン110uを構成する光電変換素子群の各画素は、それぞれ2つの部分領域PrおよびPlを介して、一つの微小領域Ouから放射される光束を受光している。微小領域Ouも、微小領域Otと同様に、繰り返しパターン110uを構成する光電変換素子群の各画素の位置ずれに対応する分だけの広がりを有するが、実質的には、ほぼ同一の物点と近似することができる。
Similarly, as shown in FIG. 7B, the luminous flux emitted from the minute region Ou on the subject 30 that is separated from the
つまり、被写体30が合焦位置に存在する限りは、撮像素子100上における繰り返しパターン110の位置に応じて、光電変換素子群が捉える微小領域が異なり、かつ、光電変換素子群を構成する各画素は互いに異なる部分領域を介して同一の微小領域を捉えている。そして、それぞれの繰り返しパターン110において、対応する画素同士は同じ部分領域からの被写体光束を受光している。つまり、図においては、例えば繰り返しパターン110t、110uのそれぞれの+x側の視差画素は、同じ部分領域Prからの被写体光束を受光している。
In other words, as long as the subject 30 exists at the in-focus position, the minute area captured by the photoelectric conversion element group differs according to the position of the
光軸21と直交する中心に配列されている繰り返しパターン110tにおいて+x側の視差画素が部分領域Prからの被写体光束を受光する開口104rの位置と、周辺部分に配列されている繰り返しパターン110uにおいて+x側の視差画素が部分領域Prからの被写体光束を受光する開口104rの位置は厳密には異なる。しかしながら、機能的な観点からは、部分領域Prからの被写体光束を受光するための開口という点で、これらを同一種類の開口として扱うことができる。
In the
次に、撮影レンズ20が非合焦状態に存在する被写体30を捉えている場合の、視差画素と被写体の関係を説明する。この場合も、非合焦位置に存在する被写体30からの被写体光束は、撮影レンズ20の瞳の2つの部分領域PrおよびPlを通過して、撮像素子100へ到達する。ただし、非合焦位置に存在する被写体30からの被写体光束は、光電変換素子108上ではなく他の位置で結像する。例えば、図7(c)に示すように、被写体30が被写体30よりも撮像素子100に対して遠い位置に存在すると、被写体光束は、光電変換素子108よりも被写体30側で結像する。逆に、被写体が図7(a)および(b)の被写体30よりも撮像素子100に対して近い位置に存在すると、被写体光束は、光電変換素子108よりも被写体30とは反対側で結像する。
Next, the relationship between the parallax pixels and the subject when the photographing
したがって、非合焦位置に存在する被写体30のうち、微小領域Ot'から放射される被写体光束は、2つの部分領域PrおよびPlのいずれを通過するかにより、異なる組の繰り返しパターン110における対応画素に到達する。例えば、部分領域Plを通過した被写体光束は、図7(c)の拡大図に示すように、主光線Rl'として、繰り返しパターン110t'に含まれる、開口104lを有する光電変換素子108へ入射する。そして、微小領域Ot'から放射された被写体光束であっても、他の部分領域を通過した被写体光束は、繰り返しパターン110t'に含まれる光電変換素子108へは入射せず、他の繰り返しパターンにおける対応する開口を有する光電変換素子108へ入射する。換言すると、繰り返しパターン110t'を構成する各光電変換素子108へ到達する被写体光束は、被写体30の互いに異なる微小領域から放射された被写体光束である。すなわち、−x側の開口104lに対応する光電変換素子108へは主光線をRl'とする被写体光束が入射し、+x側の開口104rに対応する光電変換素子108へは主光線をRr+とする被写体光束が入射するが、この被写体光束は、被写体30のOt'とは異なる微小領域から放射された被写体光束である。このような関係は、図7(b)における周辺部分に配列されている繰り返しパターン110uにおいても同様である。
Therefore, the subject luminous flux radiated from the minute region Ot ′ among the
すると、撮像素子100の全体で見た場合、例えば、開口104lに対応する光電変換素子108で被写体30を捉えた−x側の視差画像と、開口104rに対応する光電変換素子108で被写体30を捉えた+x側の視差画像は、合焦位置に存在する被写体に対する画像であれば互いにずれが無く、非合焦位置に存在する被写体に対する画像であればずれが生じることになる。そして、そのずれは、非合焦位置に存在する被写体が合焦位置に対してどちら側にどれだけずれているかにより、また、部分領域Prと部分領域Plの距離により、方向と量が定まる。つまり、−x側の視差画像と+x側の視差画像は、互いに視差像を形成する。したがって、このように構成されたそれぞれの繰り返しパターン110において、互いに対応する画素の出力を寄せ集めると、複数の視差画像が得られる。
Then, when viewed as a whole of the
ここで互いに異なる一対の視差画像上の視差によって、画像上の被写体の奥行き情報を得ることができる。この場合に、視差以外の条件はなるべく同じで、視差が大きくとれる視差画像を一対とすることが好ましい。よって、繰り返しパターン内で、開口の大きさが互いに同じでシフト量の絶対値が同じでシフト方向が異なる画素が対となることが好ましい。そのような画素の対に対応する視差の対を視差対と表記することがある。 Here, the depth information of the subject on the image can be obtained by the parallax on a pair of different parallax images. In this case, it is preferable that the conditions other than the parallax are the same as much as possible, and a pair of parallax images from which a large parallax can be obtained. Therefore, it is preferable that in the repetitive pattern, pixels having the same opening size, the same absolute value of the shift amount, and different shift directions are paired. A parallax pair corresponding to such a pixel pair may be referred to as a parallax pair.
図8は、繰り返しパターン110、111の例を示す。繰り返しパターン110において、液晶シャッタ300により全ての画素に対応して開口104lが形成される。言い換えると、開口104lを有する画素が二次元的に繰り返し配されている。一方、繰り返しパターン111において、液晶シャッタ300により全ての画素に対応して開口104rが形成されている。
FIG. 8 shows an example of the repeating
開閉駆動部234が液晶シャッタ300を駆動して繰り返しパターン110、111のいずれか一方を形成した状態で被写体を撮像し、その後、開閉駆動部234が液晶シャッタ300を駆動して繰り返しパターン110、111の他方を形成した状態で被写体を撮像することにより、一の撮像素子100を用いて一対の視差画像を得ることができる。画像処理部205は、撮像時の液晶シャッタ300の開閉状態に基づいて、視差画像を生成する。この例において、画像処理部205は、いずれの視差画像も撮像素子100の全ての画素からの画像信号を寄せ集めて生成するので、空間分解能の高い視差画像を得ることができる。
The opening /
図9は、他の繰り返しパターン112、113の例を示す。繰り返しパターン112は4画素で形成され、左上および右下が開口104rを有し、右上および左下が開口104lを有する。また、繰り返しパターン113も4画素で形成され、左上および右下が開口104lを有し、右上および左下が開口104rを有する。図8の場合と同様に、開閉駆動部234によりこれらの繰り返しパターン112、113を形成して撮像することにより、一の撮像素子100を用いて一対の撮像画像を得ることができる。
FIG. 9 shows examples of other repeating
この場合に、画像処理部205は、繰り返しパターン112の開口104rの画素と繰り返しパターン113の開口104rの画素を寄せ集めて一方の視差画像を生成し、繰り返しパターン112の開口104lの画素と繰り返しパターン113の開口104lの画素を寄せ集めて他方の視差画像を生成する。これにより、空間分解能の高い視差画像を得ることができる。また、いずれの撮像時においても二種類の開口のそれぞれが用いられるので、撮影の時間差による被写体のブレを視差画像のそれぞれに分配して目立たなくすることができる。また、二回の撮像時のいずれか一方で撮像に支障があっても、他方の撮像により得られたそれぞれの開口の画素を補完することにより、一対の視差画像を生成することができる。
In this case, the
図10は、他の繰り返しパターン114、115、116、117の例を示す。繰り返しパターン114、115、116、117はいずれも4画素により形成される。繰り返しパターン114において、左上および右下の画素は開口104rを有し、右上および左下の画素は開口104cを有する。繰り返しパターン115は、繰り返しパターン115を左右反転したものに対応する。繰り返しパターン116は、繰り返しパターン115を上下反転したものに対応する。繰り返しパターン117は、繰り返しパターン114を上下反転したものに対応する。
FIG. 10 shows examples of other repeating
開閉駆動部234によりこれらの繰り返しパターン114、115、116、117を形成して撮像することにより、一の撮像素子100を用いて一対の撮像画像および視差なし画像を得ることができる。繰り返しパターン114の開口104rの画素と繰り返しパターン117の開口104rの画素を寄せ集めて一方の視差画像を生成する等により、空間分解能の高い視差画像を得ることができる。同様に、空間分解能の高い視差なし画像を得ることができる。ここで、4回の撮像によって開口104cについて一の画素に対して2つの値を得ることができるが、それらを平均して用いてもよいし、いずれか一方を用いてもよい。
By forming these
図11から図14は、撮像素子100の製造方法を示す概略断面図である。まず図11に示すように、液晶シャッタ300の一対の基板304、306に種々の構成が形成される。
11 to 14 are schematic cross-sectional views illustrating a method for manufacturing the
基板304の一方の面には、既知の、成膜工程、露光工程、エッチング工程が繰り返されることにより、個別電極310、駆動素子350および接続部360が設けられる。その上に配向膜322の材料が塗布されて、ラビングにより高分子が配向されて配向膜322が形成される。なおラビングに代えて、UV光で配向する高分子にUVの偏光が照射されることにより配向膜322が形成されてもよい。さらに、配向膜322上にさらにシール部302が形成される。シール部302は、スクリーン印刷等により基板304の配向膜322上に額縁状に形成される。なお図11ではその一部のみが示されている。
One surface of the
また、基板306の一方の面には、既知の、成膜工程等により共通電極316が設けられる。共通電極316の上に、配向膜322と同様の方法で配向膜321が形成される。
Further, a
図12に示すように、一対の基板304、306が貼り合わせられる。さらに、対向した配向膜321、322の間に液晶320が封入される。基板304、306の外側の面に、偏光フィルム365、366が貼り付けられ、液晶シャッタ300が形成される。
As shown in FIG. 12, a pair of
図13に示すように、偏光フィルム366上に、カラーフィルタ102およびマイクロレンズ101が配される。この場合に、カラーフィルタ102上にマイクロレンズ101が設けられ、マイクロレンズ101を有するカラーフィルタ102と、液晶シャッタ300とがアライメントされて貼り付けられてもよい。
As shown in FIG. 13, the
図14に示すように、基板109に光電変換素子108が設けられるとともに、その上に絶縁層144を介して配線層105が設けられる。これらを形成するには既知の方法を用いればよいので、説明を省略する。絶縁層144の上面は平坦化される。平坦化された絶縁層144の上面に、マイクロレンズ100およびカラーフィルタ102を有する液晶シャッタ300がアライメントされて貼り付けられることにより、撮像素子100が形成される。
As shown in FIG. 14, a
図1から図14に示す例において、各画素に対して個別電極310、312は2つのセグメントに分かれているが、セグメントの数に制限はない。例えば、各画素に一つの個別電極310を設けてもよい。この場合に、開状態で開口104cを形成し、閉状態で開口104lを形成する画素と、開状態で開口104cを形成し、閉状態で開口104rを形成する画素とを繰り返しパターン112のように配置してもよい。また、各画素に対して3つ以上のセグメントに分かれた個別電極を設けてもよい。2つのセグメントの個別電極を設けた画素と、1つまたは3つ以上のセグメントの個別電極を設けた画素とを混在させてもよい。
In the example shown in FIGS. 1 to 14, the
図15は、他の撮像素子119の概略図である。図15は図3に対応して一つの画素を被写体側からみた概略図である。
FIG. 15 is a schematic diagram of another
図15に示す例において、液晶シャッタ300は、一つの光電変換素子108に対して±x方向および±y方向の4つのセグメントに分かれた個別電極370、374、378、382と、それらを別個に駆動することができる駆動素子372、376、380、384を有する。これにより24=16通りの開口を形成することができる。図15には一例として、+y側の個別電極370、374に対応する開閉領域が閉状態で、−y側の個別電極378、382に対応する開閉領域が開状態であることにより、−y側に開口104uが形成された状態を示す。なお個別電極をxy方向にセグメント化することに代えて、一方向に短冊状にセグメント化してもよい。
In the example illustrated in FIG. 15, the
図16は、他の撮像素子118を示す概略断面図である。図17は、撮像素子118の開口マスク123と個別電極330の関係を示す。
FIG. 16 is a schematic cross-sectional view showing another
開口マスク123は、絶縁層144の上面に配され、例えば配線106と同じ材料のアルミ等で形成される。開口マスク123には、変位した開口124が設けられる。開口124は、瞳上で被写体光束の変位した領域に対応する。図17に示す例において、開口124は−x側に変位している。個別電極330において、電極部323に開口324が設けられている。開口324の大きさは開口124よりも小さい。図17に示す例において、開口324は、開口124よりも細いスリット状である。
The
よって、図17に示す例において、開状態においては開口124で規定される被写体光束の部分領域が光電変換素子108に入射する。また、閉状態においては開口124と開口324とが重なった合成開口125で規定される被写体光束が光電変換素子108に入射する。これにより、被写体光束の断面領域内の、異なる部分を透過した二種類の視差画像を得ることができる。
Therefore, in the example shown in FIG. 17, a partial region of the subject light beam defined by the
なお、図16に示す例において、互いに隣接する画素の開口マスク123の開口124、個別電極330、駆動素子350は対称に配される。また、開口324は貫通した穴であってもよいし、可視光に対して透明な膜で覆われていてもよい。
In the example shown in FIG. 16, the
図18は、カラーフィルタ102のベイヤー配列を説明する図である。図示するように、ベイヤー配列は、緑フィルタが左上と右下の2画素に、赤フィルタが左下の1画素に、青フィルタが右上の1画素に割り当てられる配列である。ここでは、緑フィルタが割り当てられた左上の画素をGb画素と、同じく緑色フィルタが割り当てられた右下の画素をGr画素とする。また、赤色フィルタが割り当てられた画素をR画素と、青色が割り当てられた画素をB画素とする。そして、Gb画素およびB画素が並ぶ横方向をGb行とし、R画素およびGr画素が並ぶ横方向をGr行とする。また、Gb画素およびR画素が並ぶ縦方向をGb列とし、B画素およびGr画素が並ぶ縦方向をGr列とする。例えば、図8から図10に示す繰り返しパターン110等の4つの画素に、図18のベイヤー配列を割り当ててもよい。
FIG. 18 is a diagram for explaining the Bayer array of the
図19は、カラーフィルタ102の他の配列を説明する図である。図19の例において、緑フィルタが左上の1画素に、赤フィルタが左下の1画素に、青フィルタが右上の1画素に、フィルタ無しまたは色無しフィルタが右下の1画素に割り当てられる。例えば、図8から図10に示す繰り返しパターン110等の4つの画素に、図19の配列を割り当ててもよい。
FIG. 19 is a diagram for explaining another arrangement of the
また、上記実施形態において、液晶シャッタ300は、絶縁層144とカラーフィルタ102との間に配されているが、配置場所はこれに限られない。例えば、液晶シャッタ300は、光電変換素子108の直上、配線層105の直上、マイクロレンズ101とカラーフィルタとの間、等に配されてもよい。また、全ての画素に対して液晶シャッタ300を設ける代わりに、いくつかの画素については液晶シャッタ300または個別電極310を設けなくてもよい。
In the above embodiment, the
上記実施形態において、液晶シャッタ300はノーマリホワイトであるが、ノーマリブラックでもよい。またTNモード以外のモードであってもよいし、駆動方法もアクティブでもパッシブでもよい。液晶シャッタ300は天地反対に設けられ、共通電極316が個別電極310よりも光電変換素子108に近い側に配されてもよい。液晶シャッタ300の偏光フィルム365、366の一方または両方に反射防止膜が設けられてもよい。これにより、液晶シャッタ300の表面で反射した光が迷光となって隣接する光電変換素子108に入射するのを防ぐことができる。
In the above embodiment, the
以上、本発明を実施の形態を用いて説明したが、本発明の技術的範囲は上記実施の形態に記載の範囲には限定されない。上記実施の形態に、多様な変更または改良を加えることが可能であることが当業者に明らかである。その様な変更または改良を加えた形態も本発明の技術的範囲に含まれ得ることが、特許請求の範囲の記載から明らかである。 As mentioned above, although this invention was demonstrated using embodiment, the technical scope of this invention is not limited to the range as described in the said embodiment. It will be apparent to those skilled in the art that various modifications or improvements can be added to the above-described embodiment. It is apparent from the scope of the claims that the embodiments added with such changes or improvements can be included in the technical scope of the present invention.
特許請求の範囲、明細書、および図面中において示した装置、システム、プログラム、および方法における動作、手順、ステップ、および段階等の各処理の実行順序は、特段「より前に」、「先立って」等と明示しておらず、また、前の処理の出力を後の処理で用いるのでない限り、任意の順序で実現しうることに留意すべきである。特許請求の範囲、明細書、および図面中の動作フローに関して、便宜上「まず、」、「次に、」等を用いて説明したとしても、この順で実施することが必須であることを意味するものではない。 The order of execution of each process such as operations, procedures, steps, and stages in the apparatus, system, program, and method shown in the claims, the description, and the drawings is particularly “before” or “prior to”. It should be noted that the output can be realized in any order unless the output of the previous process is used in the subsequent process. Regarding the operation flow in the claims, the description, and the drawings, even if it is described using “first”, “next”, etc. for convenience, it means that it is essential to carry out in this order. It is not a thing.
10 デジタルカメラ、20 撮影レンズ、21 光軸、30 被写体、100 撮像素子、101 マイクロレンズ、102 カラーフィルタ、104、104l、104r 開口、105 配線層、106 配線、107 開口、108 光電変換素子、109 基板、110 繰り返しパターン、111 繰り返しパターン、112 繰り返しパターン、113 繰り返しパターン、114 繰り返しパターン、115 繰り返しパターン、116 繰り返しパターン、117 繰り返しパターン、118、119 撮像素子、123 開口マスク、124 開口、125 合成開口、140 回路領域、142 フローティングディフュージョン、144 絶縁層、201 制御部、202 A/D変換回路、203 メモリ、220 メモリカード、207 メモリカードIF、208 操作部、209 表示部、210 LCD駆動回路、211 AFセンサ、205 画像処理部、230 駆動部、232 読取駆動部、234 開閉駆動部、300 液晶シャッタ、302 シール部、304、306 基板、316 共通電極、310 個別電極、312 個別電極、320 液晶、321 配向膜、322 配向膜、323 電極部、324 開口、330 個別電極、350 駆動素子、352 駆動素子、360 接続部、361、362、363、364 開閉領域、365、366 偏光フィルム、370 個別電極、372 駆動素子、374 個別電極、376 駆動素子、378 個別電極、380 駆動素子、382 個別電極、384 駆動素子 DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 Digital camera, 20 Shooting lens, 21 Optical axis, 30 Subject, 100 Image sensor, 101 Micro lens, 102 Color filter, 104, 104l, 104r Aperture, 105 Wiring layer, 106 Wiring, 107 aperture, 108 Photoelectric conversion element, 109 Substrate, 110 repeat pattern, 111 repeat pattern, 112 repeat pattern, 113 repeat pattern, 114 repeat pattern, 115 repeat pattern, 116 repeat pattern, 117 repeat pattern, 118, 119 image sensor, 123 aperture mask, 124 aperture, 125 synthetic aperture , 140 circuit region, 142 floating diffusion, 144 insulating layer, 201 control unit, 202 A / D conversion circuit, 203 memory, 220 memory card, 20 7 memory card IF, 208 operation unit, 209 display unit, 210 LCD drive circuit, 211 AF sensor, 205 image processing unit, 230 drive unit, 232 reading drive unit, 234 opening / closing drive unit, 300 liquid crystal shutter, 302 seal unit, 304 , 306 substrate, 316 common electrode, 310 individual electrode, 312 individual electrode, 320 liquid crystal, 321 alignment film, 322 alignment film, 323 electrode part, 324 opening, 330 individual electrode, 350 driving element, 352 driving element, 360 connection part, 361, 362, 363, 364 Open / close region, 365, 366 Polarizing film, 370 Individual electrode, 372 Driving element, 374 Individual electrode, 376 Driving element, 378 Individual electrode, 380 Driving element, 382 Individual electrode, 384 Driving element
Claims (10)
前記複数の光電変換素子の少なくともいずれか一つに対応して設けられ、光学的な特性を切り替えることにより、被写体光束の断面領域内の少なくとも一部を遮光する閉状態と、前記一部を透過する開状態との間を切り替え可能な開閉部と
を備える撮像素子。 A plurality of two-dimensionally arranged photoelectric conversion elements that photoelectrically convert incident subject luminous flux into electrical signals;
A closed state that is provided corresponding to at least one of the plurality of photoelectric conversion elements and switches at least a part of the cross-sectional area of the subject light flux by switching optical characteristics, and transmits the part. An image sensor comprising: an opening / closing part capable of switching between open states.
前記複数の開閉部のそれぞれは、前記複数のマイクロレンズのうちの対応する一つと前記複数の光電変換素子のうちの対応する一つとの間に設けられる請求項6または7に記載の撮像素子。 A plurality of microlenses provided in a one-to-one correspondence with each of the plurality of photoelectric conversion elements;
8. The image sensor according to claim 6, wherein each of the plurality of opening / closing sections is provided between a corresponding one of the plurality of microlenses and a corresponding one of the plurality of photoelectric conversion elements.
前記撮像素子により撮像された撮像信号を読み出して、撮像時の前記開閉部の開閉状態に基づいた画像データを生成する画像処理部と
を備える撮像装置。 The imaging device according to any one of claims 1 to 9,
An image pickup apparatus comprising: an image processing unit that reads out an image pickup signal picked up by the image pickup device and generates image data based on an open / close state of the open / close unit at the time of image pickup.
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