(57)【要約】【課題】製造時に光起電力セルの個体差が発生しても、端子間から得られる電圧を同じ光に対し同じ出力とし、得られる色成分情報の正確性を向上させた撮像素子及びそれを備えた光学装置を得ること。【解決手段】光軸方向に沿って複数の光起電力セルを積層し、各々異なる感光波長領域を設定したセル群を備え、光起電力セルの両端に発生する光電変換信号を検出し、セル群に入射する光の色成分情報を得る撮像素子において、このセル群に出力補正用セルを積層して形成した撮像素子とする。【選択図】        図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
光軸方向に沿って複数の光起電力セルを積層し、各々異なる感光波長領域を設定したセル群を備え、前記光起電力セルの両端に発生する光電変換信号を検出し、前記セル群に入射する光の色成分情報を得る撮像素子において、
前記セル群に出力補正用セルを積層して形成したことを特徴とする撮像素子。
【請求項２】
請求項１に記載の撮像素子と、該撮像素子に被写体光を導く撮像光学系と、前記光電変換信号をＡ／Ｄ変換するＡ／Ｄ変換手段と、該Ａ／Ｄ変換手段で変換されたデジタルデータに所定の処理を施すことにより画像データを形成する画像処理手段と、を備えたことを特徴とする光学装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、異なる波長の光を異なる深さで検知する撮像素子及びそれを備えた光学装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、ビデオカメラ、電子スチルカメラ、カメラ内蔵携帯端末、スキャナー等の光学機器において、ＣＣＤ（Ｃｈａｒｇｅ  Ｃｏｕｐｌｅｄ  Ｄｅｖｉｃｅ）型イメージセンサやＣＭＯＳ（Ｃｏｍｐｌｅｍｅｎｔａｒｙ  Ｍｅｔａｌ−Ｏｘｉｄｅ  Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）型イメージセンサ等の固体撮像素子が広く使用されてきた。これらの撮像素子は、カラー画像を得るために、撮像部の最小単位であるフォトセンサ個々の上にカラーフィルタを被せ色を検出するようになっている。
【０００３】
一方、新方式のＣＭＯＳ撮像素子が開発されカメラに搭載されて販売されるようになった。この方式の撮像素子は、シリコンが持つ、異なる波長（色）の光を異なるトラップ深さで吸収する、という特性を利用し、一つのフォトセンサから、Ｒ（レッド）・Ｇ（グリーン）・Ｂ（ブルー）の３つの原色の色成分情報を得るようにしたものである（例えば、特許文献１参照）。
【０００４】
【特許文献１】
特公平６−５２８０２号公報
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
上述の特許文献１に記載の撮像素子は、光起電力セル上にカラーフィルタを被せずとも色情報を取り出すことができる。このため従来の撮像素子で偽色やモアレ現象の発生を防ぐために不可欠であったオプチカルローパスフィルタ（ＯＬＰＦ）を不要とでき、撮像素子の前方に配置される撮像光学系の解像力等の性能をそのまま生かした撮影ができるという特徴を有している。
【０００６】
図１は、特許文献１に記載された、従来の撮像素子の１画素分の断面構造を示す模式図である。
【０００７】
同図において、Ｂ（ブルー）とＧ（グリーン）とＲ（レッド）を感知する光起電力セル４２Ｂ、Ｇ（グリーン）とＲ（レッド）を感知する光起電力セル４２Ｇ、Ｒ（レッド）を感知する光起電力セル４２Ｒが透明導電層４４Ｂ、４４Ｇ、４４Ｒ、及び４０の接続端子を介して接続される。５４は電源であり５５はダイオード或いは抵抗で構成される。
【０００８】
このような構成の光起電力セル群に、光が透明導電層４４Ｂ側より入射した場合、光起電力セル４２Ｂの両端の端子４８ａと４８ｂ間の電圧は、入射光の色成分のうち（Ｂ＋Ｇ＋Ｒ）に相当する電圧を発生し、光起電力セル４２Ｇの両端の端子４８ｂと４８ｃ間の電圧は、入射光の色成分のうち（Ｇ＋Ｒ）に相当する電圧を発生し、光起電力セル４２Ｒの両端の端子４８ｃと４８ｄ間の電圧は、入射光の色成分のうち（Ｒ）に相当する電圧を発生するようになっている。
【０００９】
入射光の色成分は、（Ｒ）に加え、｛（Ｂ＋Ｇ＋Ｒ）−（Ｇ＋Ｒ）｝の演算により（Ｂ）が得られ、｛（Ｇ＋Ｒ）−（Ｒ）｝の演算により（Ｇ）が得られ、Ｂ・Ｇ・Ｒの３つの色成分に分離できる。
【００１０】
即ち、この電圧（光電変換信号）発生に関わる波長が光起電力セルの深さに依存しているということであり、製造時に３層の光起電力セルの厚みが変動し個体差があると、各端子間から発生する電圧が同じ光に対し同じ出力とならず、検出する色成分情報が正確性を欠くという問題となる。
【００１１】
図６は、この色成分情報の個体差の例を示した図である。同図は、縦軸は色成分の強度スペクトル、横軸は波長とし、図１に示す光起電力セル４２Ｂが厚く形成された場合と、光起電力セル４２Ｂが適正な厚みで形成された場合の、白色光に対する分離された各色成分の強度スペクトルを示したものである。実線は適正な厚みで形成された場合を示し、破線は光起電力セル４２Ｂが厚く形成された場合を示している。即ち、光起電力セルの厚みに個体差があると検出する色成分情報に誤差を生じ、適正な色再現に支障をきたすことになる。
【００１２】
この問題に対し、得られた色成分情報を演算で補正するという解消策が考えられるが、実際に撮影される被写体像及びその光源は千差万別であり、演算補正によりこれら全ての被写体に対して正確な色再現性を確保することは困難である。
【００１３】
本発明は上記問題に鑑み、製造時に光起電力セルの個体差が発生しても、端子間から得られる電圧を同じ光に対し同じ出力とし、得られる色成分情報の正確性を向上させた撮像素子及びそれを備えた光学装置を得ることを目的とする。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
上記の目的は、光軸方向に沿って複数の光起電力セルを積層し、各々異なる感光波長領域を設定したセル群を備え、前記光起電力セルの両端に発生する光電変換信号を検出し、前記セル群に入射する光の色成分情報を得る撮像素子において、
前記セル群に出力補正用セルを積層して形成したことを特徴とする撮像素子、とすることで達成される。
【００１５】
また、この撮像素子と、該撮像素子に被写体光を導く撮像光学系と、前記光電変換信号をＡ／Ｄ変換するＡ／Ｄ変換手段と、該Ａ／Ｄ変換手段で変換されたデジタルデータに所定の処理を施すことにより画像データを形成する画像処理手段と、を備えたことを特徴とする光学装置、とすることで達成される。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下、実施の形態により本発明を詳しく説明するが、本発明はこれに限定されるものではない。
【００１７】
図２は、本発明の撮像素子を備えた光学装置の一例であるデジタルカメラの概略ブロック図である。
【００１８】
同図において、１２は各回路を制御するＣＰＵである。ズーム変倍撮像光学系８１は前群レンズ２９、後群レンズ１、絞りシャッターユニット２と、この絞りシャッターユニット２を駆動する第１モータ１５、後群レンズ１を駆動する第２モータ１７、前群レンズ２９を駆動する第３モータ２７で構成されている。これら３つのモータはそれぞれ第１モータ駆動回路１６、第２モータ駆動回路１８、第３モータ駆動回路２６を介し、ＣＰＵ１２からの信号によりそれぞれ個別に駆動制御される。２８は赤外カットフィルタである。
【００１９】
３ａは撮像素子であり、３ｂはＡ／Ｄ変換回路であり撮像素子からの光電変換信号をデジタルデータに変換する。４はスイッチング回路でありＣＰＵ１２からの指令に応じデジタルデータを撮像回路５又はＡＥ／ＡＦ処理回路１３へ送るかを切り替える回路である。５の撮像回路はデジタルデータを所定の処理を施しデジタル画像データとするものである。６はバッファメモリ等からなるメモリである。
【００２０】
７はメモリ制御回路であり、撮像回路５からの出力をメモリ６に格納する。８はＤ／Ａ変換回路であり、メモリ６に一時的に記憶された画像信号を読み出してアナログ信号に変換すると共に、再生出力に適する形態の画像信号に変換する。１００はＬＣＤやＥＬディスプレイ等からなる画像表示部であり、Ｄ／Ａ変換回路８より出力された画像信号を画像として表示する。
【００２１】
１１は半導体メモリ等からなる記録用メモリであり、データ化された画像信号を記録する記録媒体である。例えば、フラッシュメモリ等の固定型の半導体メモリ、着脱自在のカード形状若しくはスティック形状の半導体メモリ等が適用される。
【００２２】
１０は圧縮・伸長回路であり、メモリ６に一時的に記憶された画像信号を読み出して記録用メモリ１１に記録するのに適した形態とするために圧縮処理や符号化等のデータ化を施す圧縮回路と、記録用メモリ１１に格納された画像データを再生表示するのに最適な形態とするための復号化や伸長処理を施す伸長処理回路とからなる。１３はＡＥ・ＡＦ処理回路であり、Ａ／Ｄ変換回路３ｂからの出力を受けて、撮像光学系８１の焦点状態の確認と露光条件の設定に用いられる。
【００２３】
１９は各回路に電力を供給する電池である。
２０は電気的に書き換え可能な読み出し専用メモリであるＥＥＰＲＯＭであり、ＣＰＵ１２に接続され、これを介して各種の制御を行うプログラムや各種動作に使用するデータ等が予め記憶されている。
【００２４】
２１は操作スイッチ群からなる操作スイッチであり、ＣＰＵ１２に接続され、各種動作の指令信号を発生させる。例えば、本デジタルカメラを起動させ電源供給を行う指示信号を発生させるパワースイッチ、撮影動作（記録動作）等を開始させるための指示信号を発生させるレリーズスイッチを始め、各操作部材の操作によって作動する各種のスイッチから構成されている。
【００２５】
８４は撮影補助光としてのフラッシュ発光部であり、スイッチング回路２３によってフラッシュ発光のオンオフや発光量が制御される。
【００２６】
以上の如く構成されたデジタルカメラの本発明に係る撮像素子について説明する。
【００２７】
図３は、本発明の第一の実施の形態である撮像素子の１画素分の断面構造を示した模式図である。
【００２８】
同図において、Ｂ（ブルー）とＧ（グリーン）とＲ（レッド）を感知する光起電力セル４２Ｂ、Ｇ（グリーン）とＲ（レッド）を感知する光起電力セル４２Ｇが設けられ、この光起電力セル４２Ｂと光起電力セル４２Ｇの間に、これらより薄い光起電力セル４２ＢＧが配置される。光起電力セル４２Ｇの下層にＲ（レッド）を感知する光起電力セル４２Ｒが設けられ、４層の光起電力セルで構成される。これらの光起電力セルにそれぞれ透明導電層４４Ｂ、４４ＢＧ、４４Ｇ、４４Ｒが設けられ、それぞれに接続端子４８ａ、４８ｂ１、４８ｂ２、４８ｃ、最下層４０には、接続端子４８ｄが設けられる。５４は電源であり５５はダイオード或いは抵抗で構成される。図２に示す撮像素子３ａは、このような光起電力セル群を、例えばマトリクス状に複数個並べ、光電変換面としたものである。
【００２９】
このような構成の光起電力セルに発生した光電変換信号であるところの電圧を取り出すための接続端子の選択と決定方法について説明する。なお、この選択と設定は出荷前に行うものである。
【００３０】
まず図３に示す撮像素子３ａを用いて、図２に示すブロック図のように組み立てられたカメラで、基準となる光源で照明された白色チャートを撮像する。
【００３１】
この時ＣＰＵ１２は、撮像素子の接続端子４８ａと４８ｂ１間の電圧、４８ｂ１と４８ｃ間の電圧、４８ｃと４８ｄ間の電圧の３種類を読み取るよう指令しており、この３種の電圧は、Ａ／Ｄ変換回路３ｂへ送られデジタルデータに変換された後、スイッチング回路４へ送られる。このスイッチング回路４は撮像回路５へこのデジタルデータを送るか、ＡＥ／ＡＦ処理回路１３に送るか切り替えるものである。この場合は撮像回路５へ送られ、この撮像回路５で所定の処理を行い画像データとした後、メモリ制御回路７を経て、バッファメモリ６に一時的に記憶する。
【００３２】
この撮像回路５の処理は、Ａ／Ｄ変換回路後のデジタルデータよりＢ・Ｇ・Ｒの色成分データに分離するものであり、概略は接続端子４８ａと４８ｂ１間の電圧のデジタルデータと、４８ｂ１と４８ｃ間の電圧のデジタルデータと、４８ｃと４８ｄ間の電圧のデジタルデータより、前述のようにデータ間の差を求めて（Ｂ１・Ｇ１・Ｒ１）の画像データとしてバッファメモリ６に一時的に記憶格納する。
【００３３】
次に再度、基準となる光源で照明された白色チャートを同撮影条件で撮像する。この時、撮像素子の接続端子４８ａと４８ｂ２間の電圧、４８ｂ２と４８ｃ間の電圧、４８ｃと４８ｄ間の電圧の３種類を読み取り、上述と同様にＢ・Ｇ・Ｒの色成分データに分離し、（Ｂ２・Ｇ２・Ｒ２）の画像データとしてバッファメモリ６に一時的に記憶格納する。
【００３４】
更に再度、基準となる光源で照明された白色チャートを同撮影条件で撮像する。この時、撮像素子の接続端子４８ａと４８ｂ１間の電圧、４８ｂ２と４８ｃ間の電圧、４８ｃと４８ｄ間の電圧の３種類を読み取り、上述と同様にＢ・Ｇ・Ｒの色成分データに分離し、（Ｂ３・Ｇ３・Ｒ３）の画像データとしてバッファメモリ６に一時的に記憶格納する。
【００３５】
このようにして得られた（Ｂ１・Ｇ１・Ｒ１）、（Ｂ２・Ｇ２・Ｒ２）、（Ｂ３・Ｇ３・Ｒ３）の組み合わせから、基準となる光源で照明された白色チャートの色再現として最も適切な色成分の組み合わせを選択し、この選択された組み合わせのデータを得る際に使用した接続端子の組み合わせを、ＣＰＵ１２は以降の撮影に使用するようＣＰＵ１２自身を設定する。
【００３６】
このようにして最適な色成分情報を得るための接続端子の選択と決定を行い、以降は、この選択された３種類の接続端子の組み合わせに固定して撮影に使用することになる。
【００３７】
即ち、本発明は製造時に発生する撮像素子の個体差を、検知する色情報の数より多い層数となるよう出力補正用の光起電力セルを加えて積層し、この中から適切な色情報が得られる組み合わせを選択して決定し、この選択された接続端子を撮影時に使用することにより、個体差に基づく色再現のばらつきを解消しようとするものである。
【００３８】
なお、図３では、本発明に最小限の４層の光起電力セルの構成で説明したが、薄い光起電力セルを光起電力セル４２Ｇと４２Ｒの間にも設けて５層とし、上述の接続端子の組み合わせとその出力から、最適の組み合わせを選択し、撮影時に使用する３種類の接続端子の組み合わせの選択と決定を行うことも本発明を逸脱するものではない。
【００３９】
次に、本発明の撮像素子の第二の実施の形態について、以下に説明する。
図４は、薄く形成した光起電力セルを多層化した撮像素子の１画素分の断面構造を示した模式図である。同図は１２層の光起電力セルで構成されており、６２Ａ〜６２Ｌは光起電力セル、６４Ａ〜６４Ｌは透明導電層である。この透明導電層６４Ａ〜６４Ｌには、それぞれ接続端子６８ａ〜６８ｌが設けられ、最下層４０には接続端子６８ｍが設けられている。
【００４０】
この場合にも、同様に接続する端子の組み合わせを予め決めておき、例えば６８ａと６８ｅを最初の設定として６８ａと６８ｄ〜６８ｆのいずれか、６８ｅと６８ｉを最初の設定として６８ｄ〜６８ｆのいずれかと６８ｈ〜６８ｊのいずれか、６８ｉと６８ｍを最初の設定として６８ｈ〜６８ｊのいずれかと６８ｌ又は６８ｍの３種類とし、この組み合わせの各々で基準となる光源で照明された白色チャートを同撮影条件で撮像し、最適の色成分情報の得られる３種類の接続端子の組み合わせを選択する。この選択された接続端子の組み合わせが以降の撮影に使用されるように設定される。
【００４１】
即ち、最初に設定されている接続端子の上下に積層された光起電力セルを出力補正用セルとして用いるということである。
【００４２】
このように層数を増加させることで、４〜５層の場合より正確な色成分情報の得られる３種類の接続端子の組み合わせを設定することが可能であるが、その層数は、許容される誤差と接続端子の組み合わせ数の増加による選択時間増、即ちコストとの兼ね合いにより適宜決めるのが望ましい。
【００４３】
また、接続端子の組み合わせの選択は、例えば予め治具等を用いてカメラに組み立てられる以前に行い、撮像素子の組み立てられたカメラのＥＥＲＯＭ２０に、その組み合わせを書き込み、撮影時ＣＰＵ１２はこのＥＥＲＯＭ２０から接続端子の組み合わせを読み出すようにしてもよい。また、接続端子の組み合わせを撮像素子と接続される基板上の回路パターンの導通、非導通で選択できるように構成してもよい。この場合は予め治具で組み合わせを選択することが望ましい。
【００４４】
なお、最終的に得る色情報を原色系のＢ・Ｇ・Ｒで説明したが、補色系のＹ（イエロー）・Ｍ（マゼンタ）・Ｃ（シアン）を得ることも本発明を逸脱するものではない。この場合、（Ｇ＋Ｒ）がそのままＹであり、｛（Ｂ＋Ｇ＋Ｒ）−（Ｒ）｝でＣが得られ、｛（Ｂ＋Ｇ＋Ｒ）−（Ｇ＋Ｒ）＋（Ｒ）｝でＭが得られる。
【００４５】
図５は、本発明の撮像素子を備えたカメラの外観図の一例である。図５（ａ）はカメラ前面の斜視図、図５（ｂ）はカメラ背面の斜視図である。
【００４６】
図５（ａ）において、８１はズーム変倍撮像光学系でありこの後方に本発明の撮像素子が内蔵される。８２はファインダ窓、８３はレリーズ釦、８４はフラッシュ発光部、８６はマイク、８７はストラップ取り付け部、８８はＵＳＢ端子である。８９はレンズカバーであり、不使用時は撮像光学系８１は沈胴する。レリーズ釦８３はその１段の押し込みによりカメラの撮影準備動作、即ち焦点合わせ動作や測光動作が行われ、その２段の押し込みにより撮影露光動作が行われる。
【００４７】
図５（ｂ）において、９１はファインダ接眼部、９２は赤と緑の表示ランプであり、ＡＦやＡＥの情報をスイッチＳ１がＯＮされた時、点灯もしくは点滅により撮影者に表示するものである。９３はズーム釦であり、ズームアップ、ズームダウンをおこなう釦である。９４はスピーカであり、マイク８６で録音した音声の再生や、レリーズ音等を発するものである。９５はメニュー／セット釦、９６は選択釦で４方向スイッチであり、１００は画像表示部であり画像やその他文字情報等を表示する。メニュー／セット釦９５で、画像表示部１００上に各種のメニューを表示させ、選択釦９６で選択し、メニュー／セット釦９５で確定させる機能を有している。９７は再生釦で、撮影した画像の再生をおこなう釦である。９８はディスプレイ釦で、画像表示部１００に表示された画像やその他文字情報の表示や消去を選択する釦である。９９は消去釦で、撮影記録した画像の消去をおこなう釦である。１０１は三脚穴、１０２は電池／カード蓋である。電池／カード蓋１０２の内部には、本カメラの電源を供給する電池と、撮影した画像を記録するカード型のリムーバブルメモリが装填されるようになっている。
【００４８】
これにより、個体差を解消し、得られる色成分情報にばらつきのない撮像素子を備えたカメラを得ることができる。
【００４９】
【発明の効果】
以上説明したように、検知する色情報の数よりも多い層数となるよう補正用の光起電力セルを加えて積層し、製造時の光起電力セルの厚みの不安定さによる色再現の個体差を、接続端子の選択により解消し、得られる色成分情報の正確性を向上させた撮像素子及びそれを備えた光学装置を得ることができた。
【図面の簡単な説明】
【図１】従来の撮像素子の１画素分の断面構造を示す模式図である。
【図２】本発明の撮像素子を備えた光学装置の一例であるデジタルカメラの概略ブロック図である。
【図３】本発明の第一の実施の形態である撮像素子の１画素分の断面構造を示した模式図である。
【図４】薄く形成した光起電力セルを多層化した撮像素子の１画素分の断面構造を示した模式図である。
【図５】本発明の撮像素子を備えたカメラの外観図の一例である。
【図６】色成分情報の個体差の例を示した図である。
【符号の説明】
４２Ｂ、４２Ｇ、４２Ｒ、４２ＢＧ  光起電力セル
４４Ｂ、４４Ｇ、４４Ｒ、４４ＢＧ  透明導電層
４８ａ、４８ｂ１、４８ｂ２、４８ｃ、４８ｄ  接続端子
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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