(57)【要約】      （修正有）【課題】画像の撮像時に、色毎に光学感度を調節することができる撮像素子，撮像装置及び撮像方法を提供する。【解決手段】半導体基板に形成され、入射光を受光することで信号電荷を生成する複数の光電変換部４２と、複数の光電変換部４２のそれぞれの上に、所定の色が対応するように配置されたカラーフィルタ層４６と、カラーフィルタ層４６上に形成され、電圧を印加することで配向が変化する液晶層を有する集光レンズ部４７と、を備え、所定の色のカラーフィルタ層４６上に位置する液晶層に、電圧を印加する液晶電圧調節手段を備えている。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体基板に形成され、入射光を受光することで信号電荷を生成する複数の光電変換部と、
前記複数の光電変換部のそれぞれの上に、所定の色が対応するように配置されたカラーフィルタ層と、
前記カラーフィルタ層上に形成され、電圧を印加することで液晶分子の配向が変化する液晶層を有する集光レンズ部と、を備え、
所定の色の前記カラーフィルタ層上に位置する前記液晶層に、電圧を印加する液晶電圧調節手段を備えていることを特徴とする撮像素子。
【請求項２】
前記カラーフィルタ層がＲＧＢのベイヤー配列又はハニカム配列のカラーパターンであり、
前記液晶電圧調節手段が、ＲＧＢのそれぞれに接続された電圧印加電極であることを特徴とする請求項１に記載の撮像素子。
【請求項３】
撮像時に撮像素子を用いて撮像画像を生成する撮像装置であって、
前記撮像素子が、半導体基板に形成され、入射光を受光することで信号電荷を生成する複数の光電変換部と、
前記複数の光電変換部のそれぞれの上に、所定の色が対応するように配置されたカラーフィルタ層と、
前記カラーフィルタ層上に形成され、電圧を印加することで液晶分子の配向が変化する液晶層を有する集光レンズ部と、を備え、
所定の色の前記カラーフィルタ層上に位置する前記液晶層に、電圧を印加する液晶電圧調節手段を備えていることを特徴とする撮像装置。
【請求項４】
撮像時に撮像素子を用いて撮像画像を生成する撮像方法であって、
前記撮像素子が、半導体基板に形成され、入射光を受光することで信号電荷を生成する複数の光電変換部と、前記複数の光電変換部のそれぞれの上に、所定の色が対応するように配置されたカラーフィルタ層と、前記カラーフィルタ層上に形成され、液晶層を有する集光レンズ部と、を備え、
撮像時に、所定の色の前記カラーフィルタ層上に位置する前記液晶層に電圧を印加し、前記液晶層の液晶分子の配向を変更することで、所定の色の前記カラーフィルタ層の下に位置する前記光電変換部に受光する光の量を調節することを特徴とする撮像方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、色毎に光学感度を調節することができる撮像素子、撮像装置及び撮像素子の駆動方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
撮像素子は、半導体基板に形成されたフォトダイオードなどの光電変換部を備え、撮像時には、入射光をマイクロレンズなどで光電変換部に集光させることで、光電変換によって信号電荷を生成している。光電変換部に受光する光の量に応じて生成される信号電荷の量も変化し、光学感度が変化する。
【０００３】
光電変換部で生成される光を調節するものとしては、例えば、下記特許文献１に示すものがある。特許文献１の固体撮像素子は、複数の光センサ部上に集光レンズとなる液晶レンズを設けた構造を有し、各液晶レンズに印加する電圧値を決定し、電圧値の電圧を各液晶レンズに印加する屈折率可変システムを備えている。
【０００４】
【特許文献１】特開平５−３２６９０３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、上記の液晶レンズは、各光センサ部上に位置する液晶レンズの液晶分子の配向を一律に変更することで、光センサ部に受光する光の量を同じだけ変更するものである。
しかし、撮像時には、明るい場所と暗い場所とで光の量が違うだけでなく、特定の色の光量のみに過不足が生じる場合がある。例えば、海や空を撮影した場合には、青（Ｂ）の光の量が顕著に多くなる場合がある。このような場合、画像全体の光学感度を落とさなければ、画像の一部が単調に白く表示されてしまうといった、所謂、白飛びが発生してしまうことがあった。しかし、実際の被写体の色により近い高精細な画像を得るためには、全体的な光学感度を調節することを避ける事が望ましい。また、撮影時に、特定の色の光学感度だけを強めるなどの調節をしたいといった要望があった。
【０００６】
本発明は、上記事情に鑑みてなされたもので、その目的は、画像の撮像時に、色毎に光学感度を調節することができる撮像素子，撮像装置及び撮像方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の上記目的は、下記構成によって達成される。
（１）半導体基板に形成され、入射光を受光することで信号電荷を生成する複数の光電変換部と、前記複数の光電変換部のそれぞれの上に、所定の色が対応するように配置されたカラーフィルタ層と、前記カラーフィルタ層上に形成され、電圧を印加することで液晶分子の配向が変化する液晶層を有する集光レンズ部と、を備え、所定の色の前記カラーフィルタ層上に位置する前記液晶層に、電圧を印加する液晶電圧調節手段を備えていることを特徴とする撮像素子。
（２）前記カラーフィルタ層がＲＧＢのベイヤー配列又はハニカム配列のカラーパターンであり、前記影響電圧調節手段が、ＲＧＢのそれぞれに接続された電圧印加電極であることを特徴とする上記（１）に記載の撮像素子。
（３）撮像時に撮像素子を用いて撮像画像を生成する撮像装置であって、前記撮像素子が、半導体基板に形成され、入射光を受光することで信号電荷を生成する複数の光電変換部と、前記複数の光電変換部のそれぞれの上に、所定の色が対応するように配置されたカラーフィルタ層と、前記カラーフィルタ層上に形成され、電圧を印加することで液晶分子の配向が変化する液晶層を有する集光レンズ部と、を備え、所定の色の前記カラーフィルタ層上に位置する前記液晶層に、電圧を印加する液晶電圧調節手段を備えていることを特徴とする撮像装置。
（４）撮像時に撮像素子を用いて撮像画像を生成する撮像方法であって、前記撮像素子が、半導体基板に形成され、入射光を受光することで信号電荷を生成する複数の光電変換部と、前記複数の光電変換部のそれぞれの上に、所定の色が対応するように配置されたカラーフィルタ層と、前記カラーフィルタ層上に形成され、液晶層を有する集光レンズ部と、を備え、撮像時に、所定の色の前記カラーフィルタ層上に位置する前記液晶層に電圧を印加し、前記液晶層の液晶分子の配向を変更することで、所定の色の前記カラーフィルタ層の下に位置する前記光電変換部に受光する光の量を調節することを特徴とする撮像方法。
【０００８】
本発明は、撮像時に、所定の色の前記カラーフィルタ層上に位置する液晶層に電圧を印加し、液晶層の液晶分子の配向を変更することで、液晶層の光透過率を変えて、光電変換部に受光する光の量を調節する。このため、撮影者の意図に応じて、色ごとに光学感度を調節することができる。こうすれば、撮影時の環境に起因して特定の色の光量に過不足が生じた場合に、従来のように画像全体の光学感度を落とすことなく、過不足が生じている色の光量を調節することができるようになるため、より高精細かつ高ダイナミックレンジの画像を得ることができる。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、画像の撮像時に、色毎に光学感度を調節することができる撮像素子，撮像装置及び撮像方法を提供できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
以下、本発明に係る撮像素子、撮像装置及び撮像方法の好適な実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。
図１は、本発明にかかる撮像装置の構成を概略的に示すブロック図である。同図に示すように、本実施形態による撮像装置１００は、撮像光学系１１、撮像素子３０、駆動回路１５、画像信号処理回路１７、画像データ出力部１９、表示部２１、記録部２３、制御部２５、操作部２７及びパルス信号発生部２９を備えている。
【００１１】
撮像光学系１１は、撮像素子３０上に光学像を結像させる。この撮像光学系１１は、例えば光学レンズ、絞り、オプティカルローパスフィルタ等を含んで構成される。なお、図中の矢印Ｌは光を示している。
【００１２】
撮像素子３０は、例えばＣＣＤイメージセンサからなり、撮像光学系１１が結像した光学像を電気信号に変換する。この撮像素子３０は、光電変換素子、垂直電荷転送素子（ＶＣＣＤ）、水平電荷転送素子（ＨＣＣＤ）、出力部及び色フィルタアレイを含んで構成される。撮像素子３０の構成は、従来のものと同じであるため省略する。なお、本実施形態では、撮像素子３０としてＣＣＤイメージセンサの構成を例にあげて説明するが、撮像素子３０はこれに限定されず、例えばＣＭＯＳイメージセンサを用いてもよい。
【００１３】
駆動回路１５は、撮像素子３０の動作に必要な駆動信号及び制御信号を撮像素子３０に供給する。この駆動回路１５は、例えば垂直ドライバ、水平ドライバ、ＤＣ電源等を含んで構成される。また、撮像光学系１１の光学レンズや絞りを制御する回路も必要に応じて含まれる。
【００１４】
さらに、駆動回路１５は、後述する撮像素子３０のカラーフィルタ層に設けられた液晶層に接続された電圧印加電極に所定の電圧を印加させる制御機能を有している。
【００１５】
画像信号処理回路１７は、撮像素子３０で生成された画像信号を受け取り、これに種々の処理を施して画像データを生成する。この画像信号処理回路１７は、例えばアナログ／デジタル変換器、ＣＤＳ回路（相関二重サンプリング回路）、色分離回路、ディレーライン等を含んで構成される。
【００１６】
画像データ出力部１９は、画像信号処理回路１７から出力された画像データを受け取り、この画像データをフレームメモリ等の記憶媒体に記憶する。
【００１７】
表示部２１は、画像データ出力部１９から供給される画像データに基づいて、静止画または動画を表示する。この表示部２１は、例えば液晶ディスプレイ等の表示装置を含んで構成される。
【００１８】
記録部２３は、画像データ出力部１９から供給される画像データを、例えばメモリカード等の記録媒体に記録する。
【００１９】
制御部２５は、駆動回路１５、画像信号処理回路１７及び画像データ出力部１９等の動作を制御する駆動信号を出力する。この制御部２５は、例えば中央演算処理装置（ＣＰＵ）によって構成される。
【００２０】
撮像装置１００は、例えば、少なくとも２つの撮像モード、即ち、静止画を撮像して記録する静止画記録モードと、動画を撮像する動画記録モードとを有していてもよい。撮像装置１００の使用者によって操作部２７を介して操作することで２つの撮像モードのうちいずれかを選択可能な構成とすることができる。なお、静止画記録モード時及び動画記録モード時において、非撮影時には、撮像素子３０からの画像データに基づくモニター画像が表示部２１に表示される。
【００２１】
パルス信号発生部２９は、装置内の動作タイミングの統一をとるためのパルス信号を生成し、駆動回路１５、画像信号処理回路１７及び制御部２５等に供給する。このパルス信号発生部２９は、例えば、一定の周期でパルスを発生するタイミングジェネレータ等を含んで構成される。
【００２２】
図２は、本実施形態の撮像素子の構成を説明する図である。図２は、撮像素子の撮像面に対して垂直な方向に見た状態を示している。本実施形態の撮像素子３０は、撮像素子に設けられるカラーフィルタ層のカラーパターンが赤（Ｒ）、緑（Ｇ）、青（Ｂ）の３色からなるベイヤー配列に対応した構成である。図中には、説明のため、受光する光の色に応じたＲＧＢを付している。
【００２３】
撮像素子３０は、略正方形状を有する複数の電極部３１と、同じ色ごとの電極部３１を電気的に接続させた配線部３２とを有している。電極部３１と配線部３２とはそれぞれ同じ透明な導電性材料で構成されている。電極部３１は、図２の破線の右側の撮像領域に２次元方向に配置されており、Ｇの光を受光する光電変換部上に設けられた電極部３１ｇと、Ｒの光を受光する光電変換部上に設けられた電極部３１ｒと、Ｂの光を受光する光電変換部上に設けられた電極部３１ｂとで構成されている。本実施形態において、電極部３１と配線部３２とが、電圧印加電極を構成しており、液晶電圧調節手段として機能する。
【００２４】
本実施形態では、撮像素子３０の撮像領域において、図中水平方向において電極部３１ｇと電極部３１ｂとが交互に配置されてなる行と、電極部３１ｒと電極部３１ｇとが交互に配置されてなる行とが、上下に交互に配置されている。
【００２５】
配線部３２は、同じ列に並べられた電極部３１ｇのそれぞれに接続された配線部３２ｇと、同じ列に並べられた電極部３１ｒのそれぞれに接続された配線部３２ｒと、同じ列に並べられた電極部３１ｂのそれぞれに接続された配線部３２ｂとから構成されている。
【００２６】
配線部３２ｇ，３２ｒ，３２ｂはそれぞれ、撮像領域において水平方向に延設され、図２中の破線の左側の非撮像領域まで延びている。配線部３２ｇ，３２ｒ，３２ｂは、撮像領域において互いに重なり合うことが避けられ、非撮像領域において配線部３２ｇ，３２ｒ，３２ｂ同士が交差する部位が設けられている。このため、撮像領域上の面をフラットに形成することができる。
【００２７】
配線部３２ｇ，３２ｒ，３２ｂのそれぞれには、所定の電圧を印加するための図示しない電圧供給手段が接続されており、撮像時に、所定の色の光学感度を調節する場合に、制御部２５から制御信号を出力し、配線部３２ｇ，３２ｒ，３２ｂの少なくとも一つに電極電圧を印加することができる。
【００２８】
図３及び４は、本実施形態の撮像素子の構成を示す断面図である。なお、図３及び図４は、撮像領域の断面部分を示している。
撮像素子３０は、シリコン等の半導体基板４１にフォトダイオードなどの光電変換部４２が形成されている。光電変換部４２は、撮像時に入射光を受光することで光電変換を発生させて、信号電荷を生成する。光電変換部４２は、撮像面に対して平行な２次元方向に複数配列されている。
【００２９】
半導体基板４１上には、光電変換部４２で生成された信号電荷を転送するための電荷転送電極４３と、該電荷転送電極４３に入射光が照射することを防止するためのアルミニウムなどの反射膜４４とが形成されている。反射膜４４の、光電変換部４２上の部位には、入射光を通過させて該光電変換部４２に受光させるための開口が形成されている。電荷転送電極４３と反射膜４４は、半導体基板４１上に形成された透光性の樹脂材料からなる絶縁膜４５によって覆われている。
【００３０】
絶縁膜４５上には、光電変換部４２の上方に位置するように対応する色のカラーフィルタ層４６が形成されている。カラーフィルタ層４６上には、上方に凸面を有し、入射光を光電変換部４２に集光するための集光レンズ部４７を備えている。集光レンズ部４７には、液晶分子４７ａが封入された液晶層が形成されている。液晶層の上下面には、電極部３１が接続されている。電極部３１には、光学感度を調節する際に電圧を印加する電圧供給部５２が接続されている。
【００３１】
電極部３１に可変電圧を印加することで液晶層内の液晶分子の配向を変化させることができる。液晶分子４７ａの配向が変わると、集光レンズ部４７を通過する光の進路が変化する。液晶レンズ部４７の屈折率を大きくするように液晶の配向を変えると、図３に示すように集光レンズ部４７に入射した光の進路が光電変換部４２に集光させる方向となるように光を屈折させることができる。こうして、光電変換部４２に受光する光量を多くすることができるため、光学感度を上げることができる。また、液晶レンズ部４７の屈折率を小さくするように液晶の配向を変えると、図４に示すように、集光レンズ部４７に入射した光の一部の進路が、光電変換部４２の両側の遮光膜４４などへ逸れる方向となるように光を屈折させることができる。こうして、光電変換部４２に受光する光量を少なくすることができるため、光学感度を下げることができる。
【００３２】
本発明は、撮像時に、所定の色の前記カラーフィルタ層上に位置する液晶層に印加する電圧を変化させ、該液晶層の液晶分子の配向を変更することで、液晶層の光透過率を変えて、光電変換部４２に受光する光の量を調節する。このため、撮影者の意図に応じて、色ごとに光学感度を調節することができる。こうすれば、撮影時の環境に起因して特定の色の光量に過不足が生じた場合に、従来のように画像全体の光学感度を落とすことなく、過不足が生じている色の光量を調節することができるようになるため、より高精細な画像を得ることができる。
【００３３】
図５は、本発明にかかる撮像素子の別の実施形態の構成を示す図である。なお、以下に説明する実施形態において、すでに説明した部材などと同等な構成・作用を有する部材等については、図中に同一符号又は相当符号を付すことにより、説明を簡略化或いは省略する。本実施形態の撮像素子６０は、撮像素子に設けられるカラーフィルタ層のカラーパターンが赤（Ｒ）、緑（Ｇ）、青（Ｂ）の３色からなるハニカム配列に対応した構成である。図中には、説明のため、受光する光の色に応じたＲＧＢを付している。
【００３４】
撮像素子６０は、略正方形状を有する複数の電極部６１と、同じ色ごとの電極部６１を電気的に接続させた配線部６２とを有している。電極部６１と配線部６２とはそれぞれ同じ透明な導電性材料で構成されている。電極部６１は、図５の破線の内側の撮像領域に２次元方向に配置されており、Ｇの光を受光する光電変換部上に設けられた電極部６１ｇと、Ｒの光を受光する光電変換部上に設けられた電極部６１ｒと、Ｂの光を受光する光電変換部上に設けられた電極部６１ｂとで構成されている。
【００３５】
本実施形態では、図５中の破線に対して右下側に位置する撮像領域において、図中水平方向において電極部６１ｇと電極部６１ｂとが上から右下に向かう斜め方向に交互に配置されてなる行と、電極部６１ｒと電極部６１ｇとが交互に配置されてなる行とが、上記斜め方向に対して垂直な方向に交互に配置されている。
【００３６】
配線部６２は、同じ列に並べられた電極部６１ｇのそれぞれに接続された配線部６２ｇと、同じ列に並べられた電極部６１ｒのそれぞれに接続された配線部６２ｒと、同じ列に並べられた電極部６１ｂのそれぞれに接続された配線部６２ｂとから構成されている。
【００３７】
配線部６２ｇ，６２ｒ，６２ｂはそれぞれ、撮像領域において水平方向に延設され、図２中の破線に対して左上側の非撮像領域まで延びている。配線部６２ｇ，６２ｒ，６２ｂは、撮像領域において互いに重なり合うことが避けられ、非撮像領域において配線部６２ｇ，６２ｒ，６２ｂ同士が交差する部位が設けられている。このため、撮像領域上の面をフラットに形成することができる。
【００３８】
配線部６２ｇ，６２ｒ，６２ｂのそれぞれには、所定の電圧を印加するための図示しない電圧供給手段が接続されており、撮像時に、所定の色の光学感度を調節する場合に、制御部２５から制御信号を出力し、配線部６２ｇ，６２ｒ，６２ｂの少なくとも一つに電極電圧を印加することができる。
【００３９】
本実施形態の構成によれば、上記実施形態と同様に、撮影時の環境に起因して特定の色の光量に過不足が生じた場合に、従来のように画像全体の光学感度を落とすことなく、過不足が生じている色の光量を調節することができるようになるため、より高精細かつ高ダイナミックレンジの画像を得ることができる。
【００４０】
なお、本発明は、前述した実施形態に限定されるものではなく、適宜な変形、改良などが可能である。
【図面の簡単な説明】
【００４１】
【図１】本発明にかかる撮像装置の構成を概略的に示すブロック図である。
【図２】撮像素子の構成を説明する図である。
【図３】光学感度を上げた場合の撮像素子の構成を示す断面図である。
【図４】光学感度を下げた場合の撮像素子の構成を示す断面図である。
【図５】撮像素子の別の構成を説明する図である。
【符号の説明】
【００４２】
３０，６０    撮像素子
３１，６１    電極部
３２，６２    配線部
１００        撮像装置
【図１】
2008219346.tif 000003
【図２】
2008219346.tif 000004
【図３】
2008219346.tif 000005
【図４】
2008219346.tif 000006
【図５】
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