JP2016134857A - 撮像装置及びその制御方法、プログラム、記憶媒体 - Google Patents

Abstract

【課題】撮像素子を湾曲させ、かつその曲率を可変制御する機能を有する撮像装置において、撮像素子にかかる応力を極力低減する。【解決手段】複数の画素が２次元状に配列された撮像素子と、撮像素子を湾曲させる駆動部と、撮像素子を所定の曲率で湾曲させるように駆動部を制御する制御部とを備え、制御部は、撮像動作を行わない場合の撮像素子の応力が撮像動作を行う場合の撮像素子の応力よりも小さくなるように駆動部を制御する。【選択図】図６

Description

本発明は、撮像装置及びその制御方法に関するものである。

近年、コンパクトデジタルカメラにも１型以上の大判サイズの撮像素子が搭載されるようになってきた。これにより従来は一眼レフカメラのみで可能であ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を行うことが、コンパクトデジタルカメラにおいても実現可能となってきている。このように大判サイズの撮像素子を搭載することはスマートフォンやタブレットなどに搭載されたカメラとの差別化技術としてコンパクトデジタルカメラに必要不可欠なものとなってきている。

しかしながらコンパクトデジタルカメラに大判サイズの撮像素子を搭載する場合、それに対応してレンズも大型化すると、カメラ全体のサイズが大きくなってしまう。そのためコンパクトデジタルカメラに大判サイズの撮像素子を搭載するためには、レンズを小型化することが課題となる。ところが、大型のレンズと同様の性能を維持しつつレンズを小型化する場合、一般的にレンズに入射する光線の入射角度（以後、光線入射角と記述）が大きくなってしまうという問題がある。

この問題の一つの解決手段として、特許文献１では撮像面を湾曲させた構造の撮像素子が提案されている。この撮像素子では撮像面を湾曲させることで、レンズから入射する被写体からの光線と撮像面を直交させることが可能となる。

また、特許文献２では、撮像面を湾曲させた撮像素子を用いた撮像装置において、光学レンズ系の移動量に応じて、撮像面の曲率を平坦状態から所定の曲率を有する湾曲状態まで可変制御する構成が提案されている。つまり、撮像装置の光学レンズ系のズーム位置や絞り値（Ｆ値）に応じて撮像素子の曲率を変えることが可能となり、光学レンズ系の各状態に適した曲率に撮像素子を変形させることが可能となる。

特許第４６０４３０７号公報 特開２０１２−１８２１９４号公報

撮像面を湾曲させ、且つ曲率を可変制御する場合、その構造上、撮像素子基板自体に応力が生じ、その応力が撮像面の曲率に応じて変化する。つまり撮像素子の曲率を変える際にかかる応力によって、撮像素子自体にストレスがかかるため、耐久性が低下することも考えられる。

本発明は上述した課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、撮像素子を湾曲させ、かつその曲率を可変制御する機能を有する撮像装置において、撮像素子にかかる応力を極力低減することである。

本発明に係わる撮像装置は、複数の画素が２次元状に配列された撮像素子と、前記撮像素子を湾曲させる駆動手段と、前記撮像素子を所定の曲率で湾曲させるように前記駆動手段を制御する制御手段と、を備え、前記制御手段は、撮像動作を行わない場合の前記撮像素子の応力が撮像動作を行う場合の前記撮像素子の応力よりも小さくなるように前記駆動手段を制御することを特徴とする。

本発明によれば、撮像素子を湾曲させ、かつその曲率を可変制御する機能を有する撮像装置において、撮像素子にかかる応力を極力低減することが可能となる。

本発明の一実施形態に係わる撮像装置の構成を示すブロック図。 本発明の一実施形態における撮像素子の電気的な構成を示す図。 撮像素子のカラーフィルタアレイの一部を示す図。 撮像素子の撮像面の曲率制御のメカニズムの概要を説明する図。 一実施形態における曲率制御テーブルを説明する図。 一実施形態における曲率制御手順を説明するフローチャート。

以下、本発明の一実施形態について、添付図面を参照して詳細に説明する。図１は、本発明の一実施形態に係わる撮像装置の構成を示すブロック図である。この撮像装置は、例えば、動画機能付き電子スチルカメラ、ビデオカメラ等である。

図１において、撮像装置１０は、撮影レンズ１０１、レンズ駆動部１０２、メカニカルシャッタ（メカシャッタと表記）１０３、絞り１０４、メカニカルシャッタ・絞り駆動部（シャッタ・絞り駆動部と表記）１０５を備える。また、撮像装置１０は、撮像素子１０６、ＣＤＳ・Ａ／Ｄ変換回路（ＣＤＳ・Ａ／Ｄと表記）１０７、撮像信号処理回路１０８、タイミング発生部（ＴＧと表記）１０９、第１のメモリ部１１０、全体制御演算部１１１を備える。撮像装置１０は、さらに、記録媒体制御インターフェース部（記録媒体制御Ｉ／Ｆ部と表記）１１２、表示部１１３、第２のメモリ部１１６、操作部１１７、撮像素子の曲率を制御する曲率制御部１１８を備える。記録媒体１１４は、記録媒体制御Ｉ／Ｆ部１１２を介して撮像装置１０と接続される。また、撮像装置１０は、外部インターフェース部（外部Ｉ／Ｆ部と表記）１１５を介して外部のコンピュータ等と接続される。

レンズ１０１はズームレンズであり、レンズ駆動部１０２により制御され、Ｗｉｄｅ端（広角側）からＴｅｌｅ端（望遠側）まで焦点距離を変化させることができる。メカシャッタ１０３は、後段の絞り１０４、撮像素子１０６へ入射する光の照射時間を機械的に制御する。このメカシャッタ１０３と絞り１０４は、シャッタ・絞り駆動部１０５によって駆動制御される。

図１において、絞り１０４により適切な光量に調整された被写体像は、撮像素子１０６の撮像面上にレンズ１０１により結像される。撮像素子１０６の撮像面上に結像した被写体像は、ＣＤＳ・Ａ／Ｄ１０７において相関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を行うＡ／Ｄ変換が行われ、撮像信号処理回路１０８に送られる。撮像信号処理回路１０８では、ノイズを軽減するローパスフィルタ処理やシェーディング処理などの各種画像信号処理、キズ補正、ダークシェーディング補正、黒引き処理等の各種補正処理、圧縮処理等を行って画像データが作成される。

全体制御演算部１１１は、撮像装置全体の制御と各種演算を行う。ТＧ１０９は、全体制御演算部１１１からの制御信号に基づき、撮像素子１０６を駆動するための駆動パルスを発生する。第１のメモリ部１１０は、画像データを一時的に記憶する。記録媒体制御インターフェース部１１２は、記録媒体１１４への画像データの記録または読み出しを行う。表示部１１３は、画像データの表示を行う。記録媒体１１４は、半導体メモリ等の着脱可能な記憶媒体である。外部インターフェース部１１５は、外部コンピュータ等と通信を行う。第２のメモリ部１１６は、全体制御演算部１１１での演算結果や撮影条件等の各種パラメータを記憶する。操作部１１７を用いてユーザーが設定した撮像装置の駆動条件に関する情報は、全体制御演算部１１１に送られ、これらの情報に基づいて撮像装置全体の制御が行われる。

操作部１１７はスイッチとズームレバーを有し、ユーザーがスイッチを押した場合はＯＮ判定を、押していない場合はＯＦＦ判定を全体制御演算部１１１に送る。また、ユーザーがズームレバーを操作した場合には、その操作に応じたズーム位置を全体制御演算部１１１に送る。操作部１１７には、ユーザーが各種設定可能なメニューボタンも含まれている。曲率制御部１１８は、全体制御演算部１１１からの指令に基づき撮像素子１０６を駆動し、撮像素子１０６の曲率を可変制御することで湾曲させる。

図２は、本実施形態に係わる撮像素子１０６の概略構成を示す図である。図２において、撮像素子１０６は複数の単位画素２０１を有する。そして、それぞれの単位画素２０１は、フォトダイオード（ＰＤ）２０２、転送スイッチ２０３、フローティングデフュージョン部（ＦＤ）２０４を有する。さらに、単位画素２０１は、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を有する。また、撮像素子１０６は、単位画素２０１以外に、垂直出力線２０８、増幅ＭＯＳアンプ２０５の負荷となる定電流源２０９、選択信号線２１０、出力アンプ２１１、垂直走査回路２１２、読み出し回路２１３、水平走査回路２１４を有する。なお、図２では、構成を分かりやすくするために、単位画素２０１を４行×４列のみ示しているが、実際には非常に多数の単位画素２０１が２次元状に配列されている。

単位画素２０１では、ＰＤ２０２において光が電荷に変換され、ＰＤ２０２において発生した電荷は転送パルスφＴＸを転送スイッチ２０３に印加することより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、及び定電流源２０９で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、選択パルス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、垂直出力線２０８を経て読み出し回路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、選択された出力信号が出力アンプ２１１を経て撮像素子１０６の外部に出力される。ＦＤ２０４に蓄積された電荷は、リセットパルスφＲＥＳをリセットスイッチ２０７に印加することによりリセットされる。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。

図３は、図２に示した撮像素子で使用しているカラーフィルタアレイの一部を示した図である。第１の色フィルタを赤（Ｒ）、第２の色フィルタを緑（Ｇｒ）、第３の色フィルタを緑（Ｇｂ）、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なかでも、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ている。

図４を用いて、撮像素子１０６の撮像面の曲率制御のメカニズムの概要について説明する。図４は、曲率制御部１１８が接続された撮像素子１０６の断面を示している。

図４において、撮像素子１０６は、半導体チップ４０１、半導体チップ４０１の湾曲部４０２、台座４０３、台座４０３の平坦面４０４、台座４０３の開口部４０５、台座４０３の開口４０５を閉塞する底板４０６、吸引部４０７を備えている。本実施形態では、半導体チップ４０１の図中の上側に撮像面が構成される。

半導体チップ４０１は、中央部分に単位画素２０１が２次元的に配列された撮像領域を有し、周辺部に図２に示した周辺回路２０９〜２１５を有している。そして、半導体チップ４０１の中央部分が台座４０３の開口４０５側に円弧状等の３次元に湾曲された湾曲部４０２を形成している。半導体チップ４０１は、湾曲部４０２の周縁の平坦部を、接着層を介して台座４０３の平坦面４０４に固定することで、台座４０３により支持される。

底板４０６には、吸引部４０７を有する曲率制御部１１８が取り付けられている。吸引部４０７は、底板４０６により気密的に閉塞された開口４０５内の空気を吸引し、開口４０５内の気圧（負圧）を制御して半導体チップ４０１をその面外方向に湾曲させ、湾曲部４０２の曲率を制御できるよう構成されている。図４内の一点鎖線は、半導体チップ４０１の湾曲部４０２が曲率制御部１１８によって曲げられた状態を示している。

次に、本実施形態における撮像素子の湾曲制御の詳細について、図５を用いて説明する。ここで吸引部４０７によって吸引される吸引力をＸとする。つまり吸引力Ｘが大きくなれば、湾曲部４０２の曲率は大きくなり、吸引力Ｘが小さいと、湾曲部４０２の曲率は小さくなる。また、本実施形態では、図５（ａ）に示すような曲率制御テーブルが第２のメモリ部１１６に格納されている。図５（ａ）は、撮像動作の有無と、撮影レンズ１０１のズーム位置と、撮像素子４０６の撮像面における湾曲部４０２を吸引する吸引力Ｘとの相対的な関係を示したテーブルである。吸引力Ｘの変化に比例して、撮像素子１０６が受ける応力も変化する。すなわち、吸引力Ｘが大きくなるほど、撮像素子１０６が受ける応力も大きくなる。

撮像動作無しとは、撮像動作を行わない状態のことである。すなわち、撮像素子１０６から画像信号が読み出されない状態、液晶表示画面にメニューを表示している状態、撮影された画像や動画を再生表示している状態、或いは撮像装置１０の電源がＯＦＦになっている状態などのことである。

図５（ａ）の曲率制御テーブルに示す通り、撮像動作を行っていない状態では、撮像素子１０６を吸引する吸引力が、撮影レンズ１０１のズーム位置に関わらず撮像素子１０６の曲率が最小となるＸｍｉｎになるように制御される。すなわち、撮像素子１０６が受ける応力も最小になる。また、撮像動作を行っている状態では、撮影レンズ１０１のズーム位置（光学情報）に応じて撮像素子１０６を吸引する吸引力がＸ０，Ｘ１，Ｘ２，Ｘ３，Ｘ４のいずれかに変化するように制御される。

図５（ｂ）は、半導体チップ４０１の湾曲部４０２の曲率を変化させた場合の湾曲部４０２の形状と、その曲率に湾曲させる際に湾曲部４０２を吸引する吸引力Ｘの値の関係を示したイメージ図である。本実施形態におけるレンズ１０１は、撮像動作時において、ズーム位置がＷｉｄｅ端（広角端）に近いほど、撮像素子１０６への光の入射角度が大きくなる構成となっている。

この場合、ズーム位置がＷｉｄｅ（広角）側になるほど、半導体チップ４０１の曲率を大きくする必要がある。またそれに応じて、吸引力Ｘも大きくなる。さらに、撮像動作を行っていない状態における吸引力Ｘが最小値Ｘｍｉｎとなるように構成されているため、吸収力Ｘの相対的な大きさは下記のような関係になる。すなわち、撮像素子１０６が受ける応力も、同様の関係になる。

Ｘ０＞Ｘ１＞Ｘ２＞Ｘ３＞Ｘ４＞Ｘｍｉｎ≧０
なお、図５（ａ）の曲率制御テーブルでは、ズーム位置としてＷｉｄｅ、Ｍ１等のズームポイントを記載しているが、各ズーム位置での焦点距離を記載しても同様の曲率制御テーブルが作成可能である。

次に、本実施形態における吸引力の制御の詳細について図６のフローチャートを用いて説明する。ステップＳ６０１において、ユーザーにより撮像装置１０の操作部１１７に含まれる電源ボタンがＯＮされると、このルーチンが開始される。

電源がＯＮされると、ステップＳ６０２に進んで、全体制御演算部１１１は撮像装置１０を動作させるための初期設定を行う。ステップＳ６０３において、吸引力Ｘとして最小値であるＸｍｉｎが曲率制御部１１８に設定される。

ステップＳ６０４において、ユーザーにより、動画を撮影しながら記録動作を行わずに液晶表示画面に再生表示するライブビューモードや、撮影した動画または静止画の記録動作を行う場合など、撮像素子１０６から画像信号が読み出される撮像動作を行う第２モードが開始されたか否かを判断する。ステップＳ６０４において第２モードが開始されたと判断された場合、ステップＳ６０５へ進む。

ステップＳ６０５において、ユーザーによって設定された撮影レンズ１０１のズーム位置を全体制御演算部１１１が取得する。ステップＳ６０６において、全体制御演算部１１１は、ステップＳ６０５において取得したズーム位置に応じて図５（ａ）に示した曲率制御テーブルに基づいて曲率制御部１１８に設定する吸引力Ｘの値を選択する。

ステップＳ６０７において、曲率制御部１１８は、ステップＳ６０６において選択された吸引力Ｘで撮像素子１０６を吸引することで撮像素子１０６を湾曲させ、撮像素子１０６の湾曲部４０２が所定の曲率になるように駆動する。ステップＳ６０８において、撮像動作が引き続き行われる場合には、ステップＳ６０５に戻り設定されたズーム位置に応じた吸引力Ｘの選択を行う動作が繰り返される。

ステップＳ６０８において、撮像動作が終了した場合には、ステップＳ６０９へ進み、吸引力ＸとしてＸｍｉｎが曲率制御部１１８に設定される。

一方、ステップＳ６０４において、撮像動作を行う第２モードが開始されないと判断された場合は、撮像動作を行わない第１のモードであると判断し、ステップＳ６１１に進む。

ステップＳ６１１において、電源がＯＦＦされるかどうかを判断する。電源がＯＦＦされないと判断された場合は、ステップＳ６０４へ戻る。また、ステップＳ６１１において、ユーザーが電源をＯＦＦする操作を行ったと判断された場合には、ステップＳ６１２へ進み、電源がＯＦＦされる。

以上のように、本実施形態では湾曲させることが可能な撮像面を有する撮像素子を搭載し、レンズのズーム位置に応じて撮像素子の曲率を変えることができる撮像装置において、次のような制御を行う。すなわち、撮像素子から画像信号が読み出されない状態、液晶表示画面にメニューを表示している状態、撮影された静止画や動画を再生表示している状態、或いは撮像装置１０の電源がＯＦＦになっている状態など、撮像動作を行わない第１モードでの曲率を最小にする。これにより、撮像素子が受ける応力を最小限にとどめることができ、撮像素子の耐久性の向上が可能となる
なお、本実施形態では曲率の変更方法として、吸引部を含む曲率制御部を用い、開口内の気圧を制御することで湾曲部の曲率を制御する方法を示した。しかし、圧電素子を用いるなどの他の方法で曲率を制御することも可能である。

本実施形態では、撮像素子１０６とＣＤＳ・Ａ／Ｄ１０７を分けて説明したが、複数の半導体基板をお互いに積層させた積層構造等にすることで、ＣＤＳ・Ａ／Ｄ１０７を撮像素子１０６の内部に配置する構成としても、同様な制御を行うことが可能である。

（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ー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。

１０：撮像装置、１０１：レンズ、１０２：レンズ駆動部、１０３：メカニカルシャッタ、１０４：絞り、１０５：シャッタ・絞り駆動部、１０６：撮像素子、１１８：曲率制御部

Claims (12)

1. 複数の画素が２次元状に配列された撮像素子と、
   前記撮像素子を湾曲させる駆動手段と、
   前記撮像素子を所定の曲率で湾曲させるように前記駆動手段を制御する制御手段と、を備え、
   前記制御手段は、撮像動作を行わない場合の前記撮像素子の応力が撮像動作を行う場合の前記撮像素子の応力よりも小さくなるように前記駆動手段を制御することを特徴とする撮像装置。
2. 前記制御手段は、撮影レンズの光学情報に基づく曲率まで前記撮像素子を湾曲させるように前記駆動手段を制御し、撮像動作を行わない場合に、前記撮影レンズの光学情報にかかわらず、前記撮像素子の応力が撮像動作を行う場合よりも小さくなるように前記駆動手段を制御することを特徴とする請求項１に記載の撮像装置。
3. 前記光学情報とは、前記撮影レンズのズーム位置もしくは焦点距離に関する情報であることを特徴とする請求項２に記載の撮像装置。
4. 前記制御手段は、前記撮影レンズのズーム位置が広角側である場合に、前記ズーム位置が望遠側である場合よりも、前記撮像素子を湾曲させる曲率を大きい値にすることを特徴とする請求項３に記載の撮像装置。
5. 前記制御手段は、前記光学情報に基づく曲率制御のためのテーブルに基づいて前記駆動手段を制御して前記撮像素子を湾曲させることを特徴とする請求項２乃至４のいずれか１項に記載の撮像装置。
6. 前記駆動手段は、前記撮像素子を吸引することにより前記撮像素子を湾曲させることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の撮像装置。
7. 前記駆動手段は、圧電素子により前記撮像素子を湾曲させることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の撮像装置。
8. 前記撮像素子は、複数の半導体基板を互いに積層させた積層構造であることを特徴とする請求項１乃至７のいずれか１項に記載の撮像装置。
9. 前記撮像動作を行わない場合とは、前記撮像素子からの信号の読み出しが無い場合、前記撮像装置の電源がＯＦＦされている場合、前記撮像装置がメニューを表示している場合、前記撮像装置が画像を再生している場合のいずれかの場合を含むことを特徴とする請求項１乃至８のいずれか１項に記載の撮像装置。
10. 複数の画素が２次元状に配列された撮像素子と、前記撮像素子を湾曲させる駆動手段とを備える撮像装置を制御する方法であって、
    前記撮像素子を所定の曲率で湾曲させるように前記駆動手段を制御する制御工程と、を有し、
    前記制御工程では、撮像動作を行わない場合の前記撮像素子の応力が撮像動作を行う場合の前記撮像素子の応力よりも小さくなるように前記駆動手段を制御することを特徴とする撮像装置の制御方法。
11. 請求項１０に記載の制御方法の各工程をコンピュータに実行させるためのプログラム。
12. 請求項１０に記載の制御方法の各工程をコンピュータに実行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。

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