(57)【要約】【課題】撮像素子の撮像面の曲率を高精度に制御できるようにする。【解決手段】画素が２次元状に配列された撮像素子であって、前記撮像素子の撮像面のいずれか一辺方向のみを曲げ変形可能とした。【選択図】図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
画素が２次元状に配列された撮像素子であって、
前記撮像素子の撮像面のいずれか一辺方向のみを曲げ変形可能としたことを特徴とする撮像素子。
【請求項２】
前記撮像素子の撮像面の長辺方向のみを曲げ変形可能としたことを特徴とする請求項１に記載の撮像素子。
【請求項３】
前記撮像素子の撮像面の長辺方向の縁部に直接接触した状態で伸縮する曲率制御部が設けられることを特徴とする請求項２に記載の撮像素子。
【請求項４】
前記曲率制御部は、前記撮像素子の撮像面における有効画素部を除く位置に設けられることを特徴とする請求項３に記載の撮像素子。
【請求項５】
前記曲率制御部は、複数の圧電素子を有することを特徴とする請求項３または４に記載の撮像素子。
【請求項６】
請求項１ないし５のいずれか１項に記載の撮像素子と、
ズーミング時に前記撮像素子の撮像面の曲率を可変制御する制御手段とを有することを特徴とする撮像装置。
【請求項７】
ユーザ操作に応じてズーム動作を行うズーム手段をさらに有し、
前記制御手段は、ズーム位置に応じて前記撮像素子の撮像面の曲率を可変制御することを特徴とする請求項６に記載の撮像装置。
【請求項８】
前記制御手段が前記曲率を可変制御するための曲率制御値がズーム位置ごとに格納されたテーブルを有することを特徴とする請求項７に記載の撮像装置。
【請求項９】
前記曲率は、前記ズーム位置がテレ側に近いほど小さく、ワイド側に近いほど大きいことを特徴とする請求項８に記載の撮像装置。
【請求項１０】
撮像素子の撮像面のいずれか一辺方向のみが曲げ変形可能とされた撮像素子を有する撮像装置の制御方法であって、
取得手段が、ズーミング時のズーム位置の情報を取得するステップと、
制御手段が、前記ズーム位置の情報に応じて前記撮像面の曲率を可変制御するステップとを有することを特徴とする制御方法。
【請求項１１】
コンピュータを、請求項６ないし９のいずれか１項に記載された撮像装置の各手段として機能させるためのプログラム。
【請求項１２】
コンピュータを、請求項６ないし９のいずれか１項に記載された撮像装置の各手段として機能させるためのプログラムを記憶したコンピュータが読み取り可能な記憶媒体。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、撮像素子の撮像面の曲率を可変制御する技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、コンパクトデジタルカメラにも１型以上の大型のイメージセンサが搭載されるようになっている。これにより、従来は一眼レフカメラでしかできなかった超高感度での撮影や、被写体深度が浅くボケ味が生きる撮影などがコンパクトデジタルカメラでもできるようになる。
【０００３】
このようにコンパクトデジタルカメラに大型イメージセンサを搭載する場合、レンズも大型化する傾向にあるため、レンズを小型化することが必要となる。しかしながら、同等の性能を維持しつつレンズを小型化しようとした場合、被写体からレンズへ入射する光線の入射角度（以下、光線入射角）が大きくなってしまうという課題がある。
【０００４】
このような課題を解決する手段として、特許文献１では、レンズ収差を補正するために、撮像面を湾曲させた構造の撮像素子が提案されている。また、特許文献２では、撮像素子の撮像面の曲率がレンズの像面収差に応じて設定されており、ズーミング時にテレ側とワイド側の間で曲率を可変制御する撮像装置が提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特許第４６０４３０７号公報
【特許文献２】特開２０１２−１８２１９４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
撮像素子の撮像面の曲率を可変制御するためには、例えば負圧が用いられる。図７は、撮像素子の撮像面の曲率を制御する曲率制御機構の構成の概略図である。
【０００７】
図７に示すように、撮像素子７００は、湾曲部７０２を有する半導体画素チップ部７０１と、平坦部７０４および開口部７０５を有する台座７０３、底板７０６、吸引部７０７を備える。画素チップ部７０１は、台座７０３の表面側の平坦部７０４により支持される。また、底板７０６は、台座７０３の裏面側の開口部７０５を閉塞するように設けられる。そして、吸引部７０７は、底板７０６における開口部７０５に対応する位置に取り付けられている。
【０００８】
画素チップ部７０１は、中央部分に単位画素が２次元状に配列された撮像領域（撮像面）を有し、周辺部分に回路部を有している。
【０００９】
そして、吸引部７０７が、底板７０６により気密状態とされた開口部７０５の内部のガスを吸引し、開口部７０５の内部の気圧（負圧）を制御することにより湾曲部７０２の曲率を可変制御するように構成されている。
【００１０】
このように、撮像素子の撮像面の曲率を可変制御する機構は非常に複雑であり、また、湾曲部に対して非接触で変形させるため、曲率を精度良く制御することが非常に難しくなる。
【００１１】
本発明では、上記課題に鑑みてなされ、その目的は、撮像素子の撮像面の曲率を高精度に制御できる技術を実現することである。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
上記課題を解決し、目的を達成するために、本発明の撮像素子は、画素が２次元状に配列された撮像素子であって、前記撮像素子の撮像面のいずれか一辺方向のみを曲げ変形可能とした。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、撮像素子の撮像面の曲率を高精度に制御できるようになる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本実施形態の撮像装置の構成を示すブロック図。
【図２】本実施形態の撮像素子の電気的な構成を示す回路図。
【図３】本実施形態の撮像素子のカラーフィルタアレイの一部を示す図。
【図４】撮像素子と曲率制御部の構成を説明する図。
【図５】本実施形態の曲率制御処理に用いられる曲率制御テーブルを示す図。
【図６】本実施形態による撮像素子の撮像面の曲率制御処理を示すフローチャート。
【図７】従来の曲率制御部の構成を説明する図。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下に、添付図面を参照して本発明を実施するための形態について詳細に説明する。尚、以下に説明する実施の形態は、本発明を実現するための一例であり、本発明が適用される装置の構成や各種条件によって適宜修正又は変更されるべきものであり、本発明は以下の実施の形態に限定されるものではない。また、後述する各実施形態の一部を適宜組み合わせて構成しても良い。
【００１６】
以下、本発明を、コンパクトデジタルカメラなどの撮像装置に適用した実施形態について説明する。なお、本発明は、撮像素子の撮像面の曲率を可変に制御できる機能を有する他の装置にも適用可能である。
【００１７】
＜装置構成＞図１を参照して、本発明に係る実施形態の撮像装置の構成および機能の概略について説明する。
【００１８】
図１において、本実施形態の撮像装置１００には１型以上の大型の撮像素子が搭載されている。
【００１９】
レンズ１０１は、フォーカスレンズやズームレンズを含む。
【００２０】
レンズ制御部１０２は、主制御部１１１による制御信号に基づいてレンズ１０１の駆動制御を行う。例えば、ズーミング時は、レンズ制御部１０２は、ユーザのズーム操作に応じてレンズ１０１をテレ端とワイド端の間において所定のズーム倍率に対応する位置に移動させるズーム制御を行う。
【００２１】
シャッター１０３は、撮像素子１０６の撮像面に結像される被写体像光の照射時間を調節するために機械的に駆動されるメカニカルシャッターである。
【００２２】
絞り１０４は、撮像素子１０６の撮像面に結像される被写体像の光量を調節するものであり、機械的に駆動されることで開口径が可変な絞り羽根を含む。
【００２３】
シャッター・絞り制御部１０５は、主制御部１１１による制御信号に基づいてシャッター１０３や絞り１０４の駆動制御を行う。
【００２４】
撮像素子１０６は、レンズ１０１や絞り１０４、シャッター１０３を含む光学系を介して結像された被写体像を電気信号に変換するＣＣＤやＣＭＯＳなどで構成される。なお、撮像素子１０６の詳細な構成については、図２および図３を用いて後述する。
【００２５】
曲率制御部１１８は、図４乃至図６で後述するように撮像素子１０６に設けられ、主制御部１１１による制御信号に基づいて撮像素子１０６の撮像面の曲率の可変制御を行う。
【００２６】
タイミングジェネレータ（ＴＧ）１０９は、主制御部１１１による制御信号に基づいて撮像素子１０６を駆動するためのタイミング信号を発生し、撮像素子１０６、ＣＤＳ・Ａ／Ｄ変換部１０７および信号処理部１０８に出力する。
【００２７】
ＣＤＳ・Ａ／Ｄ変換部１０７は、撮像素子１０６から出力されるアナログ信号について、相関２重サンプリング、ゲイン調整、アナログ信号からデジタル信号への変換が行われ、Ｒ、Ｇ、Ｂの信号として、信号処理部１０８に出力される。なお、ここでは、撮像素子１０６とＣＤＳ・Ａ／Ｄ変換部１０７を別個の構成として説明したが、ＣＤＳ・Ａ／Ｄ変換部１０７が撮像素子１０６に内蔵されることにより一体化されて構成しても構わない。また、撮像チップと画像処理チップが積層された撮像素子１０６を用いてもよい。
【００２８】
信号処理部１０８は、ＣＤＳ・Ａ／Ｄ変換部１０７から出力されたデジタル信号に対して色変換処理やガンマ補正処理などの信号処理を施し、圧縮処理を行って画像データを生成する。また、信号処理部１０８は、画像データを画像メモリ１１０や記録媒体１１４へ出力したり、画像メモリ１１０や記録媒体１１４から読み出した画像データに所定の信号処理を施す。さらに、信号処理部１０８は、撮像素子１０６の出力信号から合焦状態や露光量等の測光データを検出し、主制御部１１１に出力する機能も有する。
【００２９】
画像メモリ１１０は、信号処理部１０８から出力される画像データを一時的に記憶する。
【００３０】
表示部１１３は、例えばＬＣＤや有機ＥＬが用いられ、画像の表示や操作補助のための表示、カメラの状態表示を行う他、撮影時には撮影画面と測距領域を表示する。
【００３１】
外部接続部１１５は、パーソナルコンピュータ（ＰＣ）などの外部機器との間で通信を行いデータのやり取りを行うためのインターフェースである。
【００３２】
記録媒体接続部１１２は、記録媒体１１４に対する画像データの読み出しや書き込みを行うためのインターフェースである。
【００３３】
記録媒体１１４には、信号処理部１０８から出力される画像データ（静止画、動画）が記録される。記録媒体１１４は、撮像装置１００に装着されるメモリカードやハードディスクドライブなどであっても良いし、撮像装置１００に内蔵されたフラッシュメモリやハードディスクドライブであってもよい。なお、後述するメモリ部１１６と記録媒体１１４とを同一の構成としてもよい。
【００３４】
メモリ部１１６は、主制御部１１１のＣＰＵの動作用の定数、プログラム、設定情報等が記録される。ここでいう、プログラムとは、本実施形態にて後述する撮像素子の撮像面の曲率の可変制御シーケンスを実行するためのプログラムのことである。
【００３５】
主制御部１１１は、ＣＰＵ、メインメモリ（ＲＡＭ）、入出力回路、タイマー回路などを有し、ＣＰＵがメモリ部１１６に格納されたプログラムをＲＡＭの作業エリアに展開し、実行することにより、装置全体の動作を制御する。なお、メインメモリと画像メモリ１１０とを同一の構成としもよい。
【００３６】
操作部１１７は、撮像装置１００への各種指示を入力するためのユーザ操作を受け付ける操作手段であり、ボタンやスイッチなどの物理的な操作部材や、タッチパネルを通じた入力手段など様々な形態が利用可能である。操作部１１７は、例えば、画像の撮影時や再生時の各種設定を行うメニュースイッチ、レンズ１０１のズーム動作を指示するズームレバー、撮影モードや再生モードなどの動作モードの切替スイッチ、シャッタースイッチ、電源スイッチなどを含む。主制御部１１１は、ユーザが操作部１１７を介して入力した指示や設定に基づいて撮像装置１００を制御すると共に、表示部１１３に設定情報や動作状態、画像などを表示する。
【００３７】
＜撮像素子＞次に、図２および図３を参照して、本実施形態の撮像素子１０６の詳細な構成について説明する。
【００３８】
図２は、本実施形態の撮像素子１０６の電気的な構成を示す回路図である。なお、図２では説明の簡略化のために、単位画素２０１を４行×４列のみ示しているが、実際には多数の単位画素２０１が２次元状に配置されている。
【００３９】
図２において、単位画素２０１は、フォトダイオード（ＰＤ）２０２、転送スイッチ２０３、フローティングディフュージョン（ＦＤ）２０４、ソースフォロアとして機能する増幅ＭＯＳアンプ２０５、選択スイッチ２０６、リセットスイッチ２０７を備える。ＰＤ２０２において光が電荷に変換され、ＰＤ２０２で発生した電荷は転送信号φＴＸを転送スイッチ２０３に印加することによりＰＤ２０２からＦＤ２０４に転送され、ＦＤ２０４に一時的に蓄積される。ＦＤ２０４、増幅ＭＯＳアンプ２０５、及び増幅ＭＯＳアンプ２０５の負荷となる定電流源２０９によりフローティングディフュージョンアンプが構成される。そして、選択信号φＳＥＬを印加することにより選択スイッチ２０６がオンになり、選択された画素のＦＤ２０４に蓄積された信号電荷が電圧に変換され、信号出力線２０８を介して読み出し回路２１３に出力される。さらに、水平走査回路２１４により選択信号線２１０によって選択信号を出力することで読み出し回路２１３から出力する信号が選択され、選択された画素信号が出力アンプ２１１を介して撮像素子１０６の外部に出力される。ＦＤ２０４に蓄積された電荷の除去は、リセット信号φＲＥＳをセットスイッチ２０７に印加することにより行われる。また、垂直走査回路２１２は、転送スイッチ２０３、選択スイッチ２０６、リセットスイッチ２０７を選択的にオンオフする駆動を行う。
【００４０】
図３は、図２に示す撮像素子１０６に用いられるカラーフィルタアレイの一部を例示している。
【００４１】
図３において、第１の色フィルタを赤（Ｒ）、第２の色フィルタを緑（Ｇ）、第３の色フィルタを緑（Ｇ）、第４の色フィルタを青（Ｂ）とした場合を示している。この色フィルタアレイの配列は、原色の色フィルタ配列の中でも、特にベイヤ配列と呼ばれるもので、高い解像度と優れた色再現性を備えた色フィルタ配列である。
【００４２】
＜曲率制御部＞次に、図４を参照して、本実施形態の曲率制御部１１８の構成および機能について説明する。図４（ａ）から図４（ｄ）は、図１に示した撮像素子１０６の構成を示す図である。
【００４３】
図４（ａ）は、撮像素子１０６を撮像面方向から見た平面図である。撮像素子１０６は、少なくともその撮像面が矩形（四角形）形状となるように形成されている。
【００４４】
有効画素部４０１は、図示のように水平方向（行方向）Ｈと垂直方向（列方向）Ｖの２次元方向に図２に示した単位画素２０１が複数配置された画素アレイを有している。
【００４５】
有効画素部４０１を含む撮像素子１０６の撮像面の長辺方向（長手方向）である行方向Ｈに沿う領域４０３は、後述する複数の伸縮部４１７によって、レンズ１０１の光線入射角に応じた撮像特性が得られるように曲げ変形可能に構成されている。領域４０３を有効画素部４０１の中心を通り列方向Ｖと平行な軸回り（紙面に対して上下方向）に下に凸に曲げ変形させることで、有効画素部４０１は、その長手方向である行方向Ｈにおいて湾曲する。なお、レンズ１０１の光線入射角はレンズ１０１のズーム状態によって変化し、イメージサークルの周辺部ほど角度が大きくなる。
【００４６】
一方、有効画素部４０１を含む撮像素子１０６の撮像面の短辺方向（短手方向）である列方向Ｖに沿う領域４０２は、後述するように曲げ変形しないように構成されている。領域４０２は、後述するように台座の平坦部４１４に固定される。領域４０２が台座の平坦部４１４に固定されることにより、有効画素部４０１は列方向Ｖにおいて曲げ変形不可となる。なお、レンズ１０１の光線入射角に応じた撮像特性の変化は、画像処理にて補正を施すことで対応する。
【００４７】
また、どのようなズーム状態であってもレンズ１０１にはある程度の光線入射角がつく。そこで、撮像特性を良好に保つために、各単位画素２０１に配置されるマイクロレンズ（不図示）は、有効画素部４０１の中心から離れるほど列方向Ｖにシフトして構成されている。
【００４８】
図４（ｂ）、（ｃ）、（ｄ）は図４（ａ）のＨ１−Ｈ１‘、Ｈ２−Ｈ２‘、Ｈ３−Ｈ３‘の断面構造をそれぞれ示している。
【００４９】
図４（ｂ）および図４（ｄ）において、撮像素子１０６は、湾曲部４１２を有する半導体画素チップ部４１１と、平坦部４１４および開口部４１５を有する台座４１３、底板４１６、複数の伸縮部４１７を備える。画素チップ部４１１は、台座４１３の表面側の平坦部４１４により支持される。また、底板４１６は、台座４１３の裏面側の開口部４１５を閉塞するように設けられる。そして、伸縮部４１７は、それぞれ開口部４１５の内部において湾曲部４１２の裏面と底板４１６とに連結されている。
【００５０】
画素チップ部４１１は、中央部分に単位画素２０１が２次元状に配列された撮像領域（撮像面）を有し、周辺部分に図２の各回路部２０９〜２１５を有している。画素チップ部４１１は、撮像領域の長辺方向（長手方向）が台座４１３の開口部４１５がある下側に凸となるように円弧状に湾曲された湾曲部４１２を形成する。そして、撮像領域の短辺方向（短手方向）となる湾曲部４１２の周縁の領域４０２に対応する平坦部を、接着層を介して台座４１３の平坦部４１４に固定することで、画素チップ部４１１は台座４１３により支持される。
【００５１】
開口部４１５における底板４１６と画素チップ部４１１の間には、曲率制御部１１８により制御される複数の伸縮部４１７が取り付けられている。各伸縮部４１７としては、例えば圧電素子が用いられ、曲率制御部１１８による電流制御によって各伸縮部４１７が所望の長さに伸縮可能である。そして、図中の点線で示すように湾曲部４１２の曲率（湾曲度）が可変に制御できるよう構成されている。
【００５２】
図４（ｂ）および（ｄ）に対して、図４（ａ）および（ｃ）に示すように、開口部４１５における有効画素部４０１が位置する領域には、伸縮部４１７が設けられていない。これは、伸縮部４１７のような可動要素が有効画素部４０１と接触して撮像特性に悪影響を及ぼさないようにするためである。
【００５３】
なお、図示のように伸縮部４１７を画素チップ部４１１の縁部に直接接触させて湾曲部４１２の曲率（湾曲度）を制御することによって、湾曲形状を非常に高精度に再現可能となる。
【００５４】
なお、湾曲部４１２の曲率を変更する方法としては、上記のような圧電素子を用いた方式以外に、開口部４１５の内部の負圧を制御する方式や、画素チップ部４１１の裏面側に磁性膜を形成し、マグネットや電磁コイルで発生する磁力を制御することにより曲率を可変とする方式などが適用可能である。
【００５５】
＜曲率制御テーブル＞次に、図５を参照して、本実施形態の撮像素子１０６の撮像面の曲率制御に用いられる曲率制御テーブルについて説明する。
【００５６】
図５（ａ）は、レンズ１０１のズーム位置と撮像素子１０６の撮像面の曲率制御に用いる曲率制御値Ｃとを関連付けた曲率制御テーブル、図５（ｂ）は、湾曲部４１２の曲率制御値Ｃとズーム位置と湾曲形状の関係を示している。本実施形態の撮像装置１００のメモリ部１１６には、図５（ａ）に示すような曲率制御テーブルが格納されている。曲率制御部１１８は、この曲率制御値Ｃを用いて撮像素子１０６の撮像面がレンズ１０１のズーム位置に応じた曲率になるように制御する。この曲率制御テーブルに設定される曲率制御値Ｃは、ズーム位置ごとに適正な曲率になるように撮像素子１０６に対して予め実験などを行うことで求められる。
【００５７】
図５（ｂ）に示す例では、ズーム位置がテレ側に近づくほど曲率が小さく（湾曲部４１２の形状がフラットに近づく）、ワイド側に近づくほど曲率が大きくなる（湾曲部４１２の湾曲度が増す）ように曲率制御値Ｃが設定される。なお、本実施形態のレンズ１０１は、画像の撮影時やライブビュー時においてズーム位置がワイド側に近いほど、撮像素子１０６の撮像面への光線入射角が大きくなるように構成されている。
【００５８】
また、図５（ａ）の曲率制御テーブルでは、ズーム位置としてＷｉｄｅ、Ｍ１などのズームポイントを用いているが、各ズーム位置での焦点距離を用いてもよい。
【００５９】
このような曲率制御テーブルを用いることによって、ズーミング時にズーム位置に応じて変化するレンズ１０１の光線入射角に対し、撮像特性が最適に保持されるように撮像素子１０６の撮像面の曲率を制御することができる。
【００６０】
＜撮像素子の撮像面の曲率の可変制御＞次に、図６を参照して、本実施形態の撮像装置１００による撮像素子１０６の撮像面の曲率の可変制御シーケンスについて説明する。
【００６１】
なお、図６に示す処理は、撮像装置１００が撮影モード時に開始され、主制御部１１１と曲率制御部１１８が協働して実行される。なお、主制御部１１１のＣＰＵは、メモリ部１１６から読み出したプログラムをメインメモリに展開して実行することで、図６の処理を実現する。
【００６２】
主制御部１１１は、操作部１１７を介して撮影動作の開始指示が入力されると、ステップＳ６０１において、撮影シーケンスに関わる制御パラメータなどの各種条件の初期設定を行う。
【００６３】
ステップＳ６０２では、主制御部１１１は、操作部１１７のズームレバーなどの操作によって設定されたレンズ１０１のズーム位置に関する情報を取得する。
【００６４】
ステップＳ６０３では、主制御部１１１は、図５（ａ）の曲率制御テーブルを参照して、ステップＳ６０２で取得したズーム位置情報に対応する曲率に設定するための制御値Ｃを生成し、曲率制御部１１８に付与する。
【００６５】
ステップＳ６０４では、曲率制御部１１８は、ステップＳＳ６０３で与えられた制御値Ｃに基づいて伸縮部４１７の電流制御を行う。そして、撮像素子１０６における画素チップ部４１１の湾曲部４１２を曲げ変形させ、所望の曲率になるように制御する。
【００６６】
ステップＳ６０５では、主制御部１１１は、操作部１１７を介して撮影終了指示が入力されたか判定し、入力された場合は処理を終了する。また、入力されていない場合には、ステップＳ６０２に戻り、取得したズーム位置情報に応じた曲率制御を繰り返し実行する。
【００６７】
以上のように、本実施形態によれば、撮像素子１０６の撮像面の長辺方向（長手方向）のみを曲げ変形させる構造としたことで、撮像素子１０６の撮像面の曲率を高精度に制御できる撮像装置を実現できる。
【００６８】
また、本実施形態のように、伸縮部４１７を画素チップ部４１１の縁部に直接接触させて曲率を制御することによって、湾曲形状を高精度に再現可能な撮像装置を実現することができる。
【００６９】
なお、本実施形態では、撮像素子１０６の撮像面の長辺方向（長手方向）のみを曲げ変形可能とした例を説明したが、撮像素子１０６の撮像面の長辺方向（長手方向）と短辺方向（短手方向）のいずれか一辺方向のみを曲げ変形可能に構成し、その曲率を可変制御するようにしてもよい。
【００７０】
［その他の実施形態］
本発明は、上述の実施形態の１以上の機能を実現するプログラムを、ネットワーク又は記憶媒体を介してシステム又は装置に供給し、そのシステム又は装置のコンピュータにおける１つ以上のプロセッサがプログラムを読出し実行する処理でも実現可能である。また、１以上の機能を実現する回路（例えば、ＡＳＩＣ）によっても実現可能である。
【符号の説明】
【００７１】
１００…撮像装置、１０１…レンズ、１０６…撮像素子、１０８…信号処理部、１１１…主制御部、１１８…曲率制御部、４１７…伸縮部
【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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【図７】
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