JP6575098B2 - 撮像装置とその製造方法 - Google Patents

Description

この技術は、撮像装置とその製造方法に関する。

従来、赤色用，緑色用，青色用の３枚の撮像素子を設けた固体撮像装置が知られている。このような撮像装置では、特許文献１のように、撮像光を撮像光学系の色分解プリズムで三原色の撮像光に分離することが行われている。また、各色の撮像光を対応する色用の撮像素子に入射して光電変換することで、色毎に撮像信号を生成して出力することが行われている。

特開２００８−１０３８４６号公報

ところで、撮像装置では、高精細で高画質の撮像画を提供できるように撮像素子の高解像度化が進められている。また、既に数多く提供されているレンズを流用可能とするため撮像素子サイズは、従来のサイズと等しく構成される。このため、撮像素子の個々の画素サイズは従来に比べて小さくなり、レジストレーションずれによるコントラストの低下等が顕著となって、高画質の撮像画を取得することが困難となる。また、レジストレーションずれがないように撮像装置を製造する場合、生産性の低下や製造コストの上昇を招いてしまう。

そこで、この技術では、高精細で高画質の撮像画を取得できる撮像装置を容易かつ安価に提供することを目的とする。

この技術の第１の側面は、
入射光を複数の波長領域に分離する光分離部と、
前記光分離部で分離された波長領域毎に設けられて、前記分離された波長領域の光を用いて光電変換を行い撮像信号を生成する撮像素子を備え、
前記光分離部に対して水平画素数が３８４０画素以上の撮像素子を固着する際のレジストレーション誤差が無いとして、前記波長領域毎に設けた撮像素子で前記波長領域の光を用いて光電変換を行うことにより生成される画像信号が示すテスト画像のコントラストを１００％とした場合に、収差のないレンズおよび所定の絞り値を用いることによって前記テスト画像のコントラストが４０％となるレジストレーション誤差量を所定の閾値として、前記波長領域毎の前記撮像素子は、他の撮像素子における水平方向と垂直方向のずれ量および回転方向の誤差によって生じる撮像素子中心から最も離れている画素の水平方向と垂直方向のずれ量が前記所定の閾値以下に制限されて前記光分離部に固着されている撮像装置にある。

この技術では、光分離部で入射光が複数の波長領域に分離される。また、光分離部で分離された波長領域毎に設けた撮像素子で、分離された波長領域の光を用いて光電変換を行い撮像信号が生成される。撮像素子のサイズは２／３インチで４Ｋ解像度である。また、波長領域毎に設けられた撮像素子のレジストレーション誤差は、±０．５μｍの誤差範囲内である例えば撮像素子における画素サイズの２０パーセント以下に制限される。また、誤差範囲は、理想レンズを用いた場合におけるレジストレーション誤差とコントラストの関係に基づいて設定されている。

この技術によれば、光分離部で入射光が複数の波長領域に分離される。また、光分離部で分離された波長領域毎に、分離された波長領域の光を用いて光電変換を行い撮像信号を生成する撮像素子が設けられる。撮像素子は、水平画素数が３８４０画素以上，画素サイズが２．５μｍ×２．５μｍ以下であり、波長領域毎に設けられた各撮像素子のうちの所定の撮像素子に対して他の撮像素子における水平方向と垂直方向のずれ量および回転方向の誤差によって生じる撮像素子中心から最も離れている画素の水平方向と垂直方向のずれ量が０．５μｍ以内とされる。このようにレジストレーション誤差を制限することで、高精細で高画質の撮像画を取得できる撮像装置を容易かつ安価に提供できるようになる。なお、本明細書に記載された効果はあくまで例示であって限定されるものではなく、また付加的な効果があってもよい。

撮像装置の構成を例示した図である。 色分解プリズムと撮像素子の位置関係を示した図である。 固着装置の構成を例示した図である。 コントラストとレジストレーション誤差の関係を説明するための図である。 ４Ｋ解像度におけるレジストレーション誤差とコントラストの関係を示した図である。 理想レンズを用いた場合の画素サイズとコントラストの関係を絞り値毎に示した図である。 理想レンズを用いた場合における４Ｋ解像度のレジストレーション誤差とコントラストの関係を絞り値毎に示した図である。 緑色用の撮像素子に対して赤色用の撮像素子が回転方向に位置ずれを生じた場合を模式的に示した図である。

以下、本技術を実施するための形態について説明する。なお、説明は以下の順序で行う。
１．撮像装置の構成
２．撮像素子の固着装置の構成と動作

＜１．撮像装置の構成＞
以下、この技術の実施の形態について説明する。なお、実施の形態では、入射光を例えば赤色、緑色、青色の成分に分離して、色毎に設けた撮像素子によって各色成分に応じた撮像信号を生成する場合を例示している。

図１は、撮像装置の構成を例示している。撮像装置１０は、入射光を複数の波長領域に分離する光分離部、例えばレンズを介して入射される被写体光を赤色、緑色、青色の成分に分離する色分解プリズム２０を有している。また、撮像装置１０では、光分離部で分離された波長領域毎に撮像素子が設けられている。撮像素子は、分離された波長領域の光を用いて光電変換を行い撮像信号を生成する。例えば撮像装置１０では、撮像素子３１Ｒ，３１Ｇ，３１Ｂが設けられている。

撮像素子３１Ｒ，３１Ｇ，３１Ｂは、ＣＭＯＳ（Complementary Metal Oxide Semiconductor）撮像素子やＣＣＤ（Charge Coupled Device）撮像素子等である。撮像素子３１Ｒは、固着ガラス（固着部材）４１Ｒによって挟持された状態で、固着ガラス板（固着板）４２Ｒを介して色分解プリズム２０における赤色光の出射面に固定される。同様に、撮像素子３１Ｇ（３１Ｂ）は、固着ガラス（固着部材）４１Ｇ（４１Ｂ）によって挟持された状態で、固着ガラス板（固着板）４２Ｇ（４２Ｂ）を介して色分解プリズム２０における緑色光（青色光）の出射面に固定される。また、撮像素子３１Ｒは基板３２Ｒに実装されており、撮像素子３１Ｇ（３１Ｂ）は基板３２Ｇ（３２Ｂ）に実装されている。

撮像素子３１Ｒは、色分解プリズム２０で分離された赤色波長領域の光を用いて光電変換を行い撮像信号を生成する。同様に、撮像素子３１Ｇは、色分解プリズム２０で分離された緑色波長領域の光を用いて光電変換を行い撮像信号を生成する。また、撮像素子３１Ｂは、色分解プリズム２０で分離された青色波長領域の光を用いて光電変換を行い撮像信号を生成する。

図２は、色分解プリズムと撮像素子の位置関係を示している。なお、図２では、説明を分かりやすくするため、固着ガラスと固着ガラス板および基板を省略している。

色分解プリズム２０の入射光面２１に入射した被写体光は、色分解プリズム２０のブロック２２Ｇによって緑成分が分離されて、緑成分の光は撮像素子３１Ｇの受光面に結像される。次に、色分解プリズム２０のブロック２２Ｇを通過した光は、色分解プリズム２０のブロック２２Ｂによって青成分が分解されて、青成分の光は撮像素子３１Ｂの受光面に結像される。そして、色分解プリズム２０のブロック２２Ｇとブロック２２Ｂとを通過した光、すなわち赤成分の光は、ブロック２２Ｒを通して撮像素子３１Ｒの受光面に結像される。

このように構成された撮像装置１０では、色分解プリズム２０に対して各撮像素子３１Ｒ，３１Ｇ，３１Ｂを位置決めしたのち、接着剤を用いて各撮像素子３１Ｒ，３１Ｇ，３１Ｂを色分解プリズム２０に固着する。接着剤は、各部材間の固着精度を上げるため、硬化収縮率が小さく短時間で硬化する例えば紫外線硬化接着剤等を用いる。

＜２．固着装置の構成と動作＞
図３は、撮像素子を色分解プリズムに固着する固着装置の構成を例示している。固着装置５０は、光源部５１、色毎の位置調整治具５２Ｒ，５２Ｇ，５２Ｂと素子駆動部５３Ｒ，５３Ｇ，５３Ｂ、および増幅器５４Ｒ，５４Ｇ，５４Ｂを有している。また、固着装置５０は、メモリ部５５、タイミングジェネレータ５６、信号処理部５７、表示部５８、計測部５９を有している。

光源部５１は、撮像素子３１Ｒ，３１Ｇ，３１Ｂを固着する際に用いるテスト画等の被写体光を色分解プリズム２０に入射する。

赤色用の位置調整治具５２Ｒは、色分解プリズム２０に対して赤色用の撮像素子３１Ｒの位置を調整するための機構である。また、緑色用の位置調整治具５２Ｇは、色分解プリズム２０にして緑色用の撮像素子３１Ｇの位置を調整するための機構であり、青色用の位置調整治具５２Ｂは、色分解プリズム２０に対して青色用の撮像素子３１Ｂの位置を調整するための機構である。

赤色用の素子駆動部５３Ｒは、赤色用の撮像素子３１Ｒを駆動して、色分解プリズム２０に入射した被写体光から分離された赤成分の光に基づく赤成分撮像信号を生成させる。緑色用の素子駆動部５３Ｇは、緑色用の撮像素子３１Ｇを駆動して、色分解プリズム２０に入射した被写体光から分離された緑成分の光に基づく緑成分撮像信号を生成させる。青色用の素子駆動部５３Ｂは、青色用の撮像素子３１Ｂを駆動して、色分解プリズム２０に入射した被写体光から分離された青成分の光に基づく青成分撮像信号を生成させる。

赤色用の増幅器５４Ｒは、撮像素子３１Ｒで生成された赤成分撮像信号を所定の利得で増幅してメモリ部５５へ出力する。緑色用の増幅器５４Ｇは、撮像素子３１Ｇで生成された緑成分撮像信号を所定の利得で増幅してメモリ部５５へ出力する。さらに、青色用の増幅器５４Ｂは、撮像素子３１Ｂで生成された青成分撮像信号を所定の利得で増幅してメモリ部５５へ出力する。

メモリ部５５は、撮像素子３１Ｒ，３１Ｇ，３１Ｂから供給された撮像信号を記憶して、記憶した撮像信号を所定の速度で読み出して信号処理部５７へ出力する。

タイミングジェネレータ５６は、タイミング信号を生成して素子駆動部５３Ｒ，５３Ｇ，５３Ｂおよびメモリ部５５に供給することで、撮像素子３１Ｒ，３１Ｇ，３１Ｂにおける撮像信号の生成やメモリ部５５における撮像信号の記憶を同期して行えるようにする。タイミングジェネレータ５６は、タイミング信号をメモリ部５５に供給することで、記憶した撮像信号を所定の速度で読み出して信号処理部５７へ出力できるようにする。

信号処理部５７は、メモリ部５５から読み出した撮像信号を、表示部５８と計測部５９に対応した画像信号に変換して、変換後の画像信号を表示部５８と計測部５９へ出力する。また、信号処理部５７は、計測部５９でレジストレーション誤差を精度よく検出できるように、例えば各撮像素子のＲＡＷ信号を計測部５９に供給してもよい。

表示部５８は、信号処理部５７から供給された画像信号に基づきテスト画等を表示する。計測部５９は、信号処理部５７から供給された画像信号に基づき、撮像素子３１Ｒ，３１Ｇ，３１Ｂのレジストレーション誤差を計測する。

次に、輝度信号のコントラストとレジストレーション誤差の関係について説明する。輝度信号は、例えば４Ｋ解像度等の超高精細の映像フォーマットを規定したＩＴＵ−Ｒ勧告ＢＴ２０２０−１に基づき、輝度信号Ｙは、式（１）のように赤成分撮像信号Ｒと緑成分撮像信号Ｇと青成分撮像信号Ｂから算出する。また、コントラストＤctは、式（２）に基づいて算出する。
Ｙ＝０．２６２７Ｒ＋０．６７８０Ｇ＋０．０５９３Ｂ ・・・（１）
Ｄct＝（Ｙmax−Ｙmin）／（Ｙmax＋Ｙmin） ・・・（２）

図４は、コントラストとレジストレーション誤差の関係を説明するための図である。なお、図４では、水平方向にレジストレーション誤差が生じた場合を例示している。

図４の（Ａ）は、色分解プリズム２０に入射するテスト画像を例示している。テスト画像は、白領域（１画素分または複数画素分）と黒領域（１画素分または複数画素分）を交互に水平方向に設けた白黒の２値画像である。

図４の（Ｂ）は、各色の画素の水平方向の位置も一致している状態を例示している。なお、図４の（Ｂ）（Ｅ）では、垂直方向の位置が一致している各色の画素を垂直方向に並べて図示して、各色の画素の水平方向の位置関係を容易に把握できるように図示している。

図４の（Ｃ）は各色の画素の位置が一致している状態における輝度信号に基づく画像を示しており、各色の画素の位置が一致している状態では、テスト画像が白黒の２値画像であることから、輝度信号に基づく画像はテスト画像と等しくなる。図４の（Ｄ）は、このときの画素位置と輝度信号の関係を示しており、画像のコントラストＤctは高い状態である。

図４の（Ｅ）は、緑色の画素に対して赤色と青色の画素が水平方向にレジストレーション誤差が生じている場合を例示している。この場合、緑色の画素に対して赤色と青色の画素が位置ずれを生じていることから、図４の（Ｆ）に示すように、テスト画像の白色画素は白色とならず有彩色となり黒色画素は黒色とならず有彩色となる。したがって、輝度信号に基づく画像はテスト画像と異なり、画素位置と輝度信号の関係は図４の（Ｇ）となる。すなわち、コントラストＤctは、各色の画素の位置が一致している場合に比べて低下する。

撮像装置１０では、高精細な撮像画を提供できるように撮像素子３１Ｒ，３１Ｇ，３１Ｂの解像度を４Ｋとする。また、既に数多く提供されているレンズを流用可能とするため撮像素子３１Ｒ，３１Ｇ，３１Ｂのサイズは、従来の撮像素子のサイズと等しく２／３インチサイズとする。このような撮像素子では、４Ｋ解像度（３８４０画素×２１６０画素）であるとき、画素サイズは「２．５μｍ×２．５μｍ」となる。なお、４Ｋ解像度は「４０９６画素×２１６０画素」の場合も含み、このときの画素サイズは「２．５μｍ×２．５μｍ」よりも小さくなる。

図５は、４Ｋ解像度におけるレジストレーション誤差とコントラストの関係を示している。なお、図５は、緑色の画素に対する赤色と青色の画素の位置ずれが同一方向で同一量であり、画素サイズが「２．５μｍ×２．５μｍ」の場合である。また、レジストレーション誤差が「０」の場合のコントラストを１００パーセントとしている。ここで、コントラスト低下の下限をおおよそ９０パーセントとすると、レジストレーション誤差は「±０．５μｍ」の範囲となる。

また、収差のない理想レンズを用いた場合、コントラストは画素サイズおよび絞り値に応じて図６に示すように変化する。なお、図６は、理想レンズとｅ線（５４６ｎｍ）を用いたときの画素サイズとコントラストの関係を、絞り値毎に示している。なお、図６では、理想レンズのない状態でレジストレーション誤差が「０」の場合のコントラストを１００パーセントとしている。ここで、動画の撮像時に多く使用されている絞り値「ｆ／４．０」の場合、画素サイズが「５μｍ×５μｍ」であるときは、コントラストが７０パーセント以上となり、画素サイズが「２．５μｍ×２．５μｍ」であるときは、５０パーセント以下となる。

図７は、理想レンズを用いた場合における４Ｋ解像度のレジストレーション誤差とコントラストの関係を絞り値毎に示している。撮像装置では、動画の撮像時において使用頻度の高い絞り値において、コントラストが所望のレベル以上となるようにレジストレーション誤差を制限する。ここで、絞り値は「ｆ／４．０」に設定されることが多いことから、例えば絞り値が「ｆ／４．０」であるときコントラストが所望のレベルである４０パーセント以上となるようにレジストレーション誤差の誤差範囲を設定する。すなわち、撮像装置は、レジストレーション誤差を±０．５μｍの誤差範囲内に制限する。ここで、４Ｋ解像度が「３８４０画素×２１６０画素」であるとき、±０．５μｍの誤差範囲は、撮像素子における画素サイズの２０パーセント以下の範囲に相当する。したがって、撮像装置は、レジストレーション誤差を±０．５μｍの誤差範囲内である例えば画素サイズの２０パーセント以下の範囲内に制限する。なお、理想レンズを考慮した場合におけるコントラストの所望のレベルは、実際に撮像を行った場合において、レジストレーション誤差によってコントラストが低下しても許容できるレベルに相当する。

また、レジストレーション誤差は、水平方向または垂直方向に限らず光軸方向を回転軸とした回転方向に生じる場合もある。したがって、回転方向のずれを生じても、レジストレーション誤差が±０．５μｍの誤差範囲内である例えば画素サイズの２０パーセント以下の範囲となるように回転を制限する。

図８は、緑色用の撮像素子に対して赤色用の撮像素子が回転方向に位置ずれを生じた場合を模式的に示している。

図８の（Ａ）に示すように、撮像素子が中心位置ＣＰを軸として矢印ＦＲ方向に回転すると、中心から最も離れている最外殻画素Ｐａの移動量が最も大きくなる。したがって、回転方向の位置ずれは、図８の（Ｂ）に示すように、最外殻画素Ｐａの移動量ｄＨ，ｄＶがともに±０．５μｍの誤差範囲内である例えば画素サイズの２０パーセント以下の範囲内に制限する。

ここで、撮像素子のサイズが２／３インチで対角線長が１１ｍｍである場合、最外殻画素Ｐａは中心から５．５ｍｍ離れている。また、撮像素子のサイズが２／３インチで４Ｋ解像度（３８４０画素×２１６０画素）の場合、レジストレーション誤差は±０．５μｍの誤差範囲内に制限する。したがって、回転方向のずれは、移動量ｄＨ，ｄＶがともに０．５μｍとなる回転角θ以内に制限する。ここで、移動量ｄＨが０．５μｍとなる回転角θはθ＝０．０１１度である。また、移動量ｄＶが０．５μｍとなる回転角θはθ＝０．００６度である。したがって、撮像素子の中心位置が誤差を生じていない場合、回転方向の位置ずれは「±０．００６度」以内とする。

固着装置５０は、波長領域毎に設けられた撮像素子のレジストレーション誤差±０．５μｍの誤差範囲内である例えば画素サイズの２０パーセント以下の範囲に制限する。

固着装置５０は、例えば緑色用の撮像素子３１Ｇを色分解プリズム２０に固着する。その後、固着装置５０は、緑色用の撮像素子３１Ｇを基準として、赤色用の撮像素子３１Ｒと青色用の撮像素子３１Ｂの位置調整を行う。具体的には、緑色用の撮像素子３１Ｇに対する赤色用の撮像素子３１Ｒ（青色用の撮像素子３１Ｂ）のレジストレーション誤差が±０．５μｍの誤差範囲内である例えば画素サイズの２０パーセント以下の範囲内となるように、赤色用の撮像素子３１Ｒ（青色用の撮像素子３１Ｂ）の位置調整を行う。固着装置５０は、位置調整が行われた撮像素子３１Ｒと撮像素子３１Ｂを色分解プリズム２０に固着する。

したがって、この技術によれば、４Ｋ解像度であって既に提供されているレンズを流用できる２／３インチサイズの撮像素子を用いた場合、レジストレーション誤差が±０．５μｍの誤差範囲内である例えば画素サイズの２０パーセント以下の範囲に制限される。したがって、各撮像素子は、レジストレーション誤差による悪影響が許容範囲内となるように色分解プリズムに固着されるので、レジストレーション誤差が全くないように撮像装置を製造する場合に比べて、容易かつ安価に撮像装置を提供できる。

また、レジストレーション誤差の補償方法として、撮像素子で生成された撮像信号に対して電気的な補償を行う方法が提案されている。しかし、この方法では補償を行うための信号処理回路が必要となり、ずれ方向によっては補償できない場合もある。しかし、この技術では、レジストレーション誤差が±０．５μｍの誤差範囲内である例えば画素サイズの２０パーセント以下の範囲内となるように、撮像素子が色分解プリズムに固着されるので、ずれ方向によらずレジストレーション誤差による悪影響を許容範囲に抑えることができる。したがって、撮像装置１０は、高精細で高画質の撮像画を生成できる。なお、４Ｋ解像度が「４０９６画素×２１６０画素」である場合、画素サイズは「３８４０画素×２１６０画素」よりも小さくなる。したがって、レジストレーション誤差を±０．５μｍの誤差範囲内である例えば画素サイズの２０パーセント以下の範囲に制限すれば、「４０９６画素×２１６０画素」の解像度でも、レジストレーション誤差による悪影響を許容範囲に抑えることができる。

なお、本明細書に記載した効果はあくまで例示であって限定されるものではなく、記載されていない付加的な効果があってもよい。また、本技術は、上述した技術の実施の形態に限定して解釈されるべきではない。この技術の実施の形態は、例示という形態で本技術を開示しており、本技術の要旨を逸脱しない範囲で当業者が実施の形態の修正や代用をなし得ることは自明である。すなわち、本技術の要旨を判断するためには、特許請求の範囲を参酌すべきである。

また、本技術の撮像装置は以下のような構成も取ることができる。
（１） 入射光を複数の波長領域に分離する光分離部と、
前記光分離部で分離された波長領域毎に設けられて、前記分離された波長領域の光を用いて光電変換を行い撮像信号を生成する撮像素子を備え、
前記撮像素子のサイズは２／３インチで４Ｋ解像度であり、前記波長領域毎に設けられた撮像素子のレジストレーション誤差を±０．５μｍの誤差範囲内に制限した撮像装置。
（２） 前記誤差範囲は、前記撮像素子における画素サイズの２０パーセント以下の範囲である（１）に記載の撮像装置。
（３） 前記誤差範囲は、理想レンズを用いた場合におけるレジストレーション誤差とコントラストの関係に基づいて設定した（１）乃至（２）に記載の撮像装置。

この技術の撮像装置とその製造方法では、入射光を複数の波長領域に分離する光分離部で分離された波長領域毎に、分離された波長領域の光を用いて光電変換を行い撮像信号を生成する撮像素子が設けられる。撮像素子のサイズは２／３インチで４Ｋ解像度である。波長領域毎に設けられた撮像素子のレジストレーション誤差は±０．５μｍの誤差範囲内に制限される。したがって、高精細で高画質の撮像画を取得できる撮像装置を容易かつ安価に提供できるようになる。このため、所望の被写体を高精細で高画質に撮像するビデオカメラ等に適している。

１０・・・撮像装置
２０・・・色分解プリズム
２１・・・入射光面
２２Ｒ，２２Ｇ，２２Ｂ・・・ブロック
３１Ｒ，３１Ｇ，３１Ｂ・・・撮像素子
３２Ｒ，３２Ｇ，３２Ｂ・・・基板
５０・・・固着装置
５１・・・光源部
５２Ｒ，５２Ｇ，５２Ｂ・・・位置調整治具
５３Ｒ，５３Ｇ，５３Ｂ・・・素子駆動部
５４Ｒ，５４Ｇ，５４Ｂ・・・増幅器
５５・・・メモリ部
５６・・・タイミングジェネレータ
５７・・・信号処理部
５８・・・表示部
５９・・・計測部

Claims (3)

1. 入射光を複数の波長領域に分離する光分離部と、
   前記光分離部で分離された波長領域毎に設けられて、前記分離された波長領域の光を用いて光電変換を行い撮像信号を生成する撮像素子を備え、
   前記光分離部に対して水平画素数が３８４０画素以上の撮像素子を固着する際のレジストレーション誤差が無いとして、前記波長領域毎に設けた撮像素子で前記波長領域の光を用いて光電変換を行うことにより生成される画像信号が示すテスト画像のコントラストを１００％とした場合に、収差のないレンズおよび所定の絞り値を用いることによって前記テスト画像のコントラストが４０％となるレジストレーション誤差量を所定の閾値として、前記波長領域毎の前記撮像素子は、他の撮像素子における水平方向と垂直方向のずれ量および回転方向の誤差によって生じる撮像素子中心から最も離れている画素の水平方向と垂直方向のずれ量が前記所定の閾値以下に制限されて前記光分離部に固着されている撮像装置。
2. 前記撮像素子は、前記光分離部に紫外線硬化接着剤を用いて固着されることで前記波長領域毎に設けられる
   請求項１に記載の撮像装置。
3. 前記波長領域毎に設けられた撮像素子は、２／３インチサイズである
   請求項１乃至請求項２のいずれかに記載の撮像装置。

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