JP4512504B2 - マイクロレンズ搭載型単板式カラー固体撮像素子及び画像入力装置 - Google Patents

Description

本発明はデジタルカメラ等の画像入力装置に設けられるマイクロレンズ搭載型単板式カラー固体撮像素子に係り、特に、色シェーディングが起きにくいマイクロレンズ搭載型単板式カラー固体撮像素子及びこれを備えた画像入力装置に関する。

デジタルカメラ等の画像入力装置には、ＣＣＤ型やＣＭＯＳ型の単板式固体撮像素子が搭載される。この単板式固体撮像素子は、正方格子状またはハニカム状に多数の画素が配列され、各画素の上に、赤色（Ｒ），緑色（Ｇ），青色（Ｂ）のいずれか一色を透過するカラーフィルタが積層される。そして、各画素の開口に効率的に光が入射するように、各画素毎にマイクロレンズを搭載する様にしている。

例えば、下記特許文献１記載の固体撮像素子では、各画素毎にマイクロレンズを搭載すると共に、固体撮像素子のチップ面上に光を集光するレンズ光学系から各画素への入射角に応じて、カラーフィルタの色毎に対応のマイクロレンズの形状を変えてレンズのケラレにより生じる感度ムラのバラツキを補償したり、マイクロレンズの曲率をカラーフィルタの色毎に変えて感度ムラのバラツキを補償している。

特開平５―７５０８５号公報

近年の固体撮像素子は多画素化が進展し、１画素の寸法が極めて小さくなってきている。このため、各画素の入射光路の入口に設けられるマイクロレンズによるケラレの影響よりも、各画素の入射光路の終端部分の受光面開口（遮光膜の開口）による入射光のケラレの影響の方が大きく、色シェーディングが発生してしまうという問題がある。

本発明の目的は、色シェーディングの発生を抑制することができるマイクロレンズ搭載型単板式カラー固体撮像素子及びこれを用いた画像入力装置を提供することにある。

本発明のマイクロレンズ搭載型単板式カラー固体撮像素子は、半導体基板の表面部に複数の受光部が２次元アレイ状に形成されると共に各受光部の上に赤色，緑色，青色のいずれかのカラーフィルタ及びマイクロレンズが各受光部毎に積層されるマイクロレンズ搭載型単板式カラー固体撮像素子において、前記赤色のカラーフィルタが積層された前記受光部に対応する前記マイクロレンズの受光面積を、曲率を同じに保ったまま、前記緑色のカラーフィルタが積層された前記受光部に対応する前記マイクロレンズの受光面積より小さく形成すると共に、前記赤色のカラーフィルタが積層された前記受光部に対応する前記マイクロレンズの受光面積を素子周辺部に行くに従って徐々に小さくすることを特徴とする。

本発明のマイクロレンズ搭載型単板式カラー固体撮像素子は、前記赤色のカラーフィルタが積層された前記受光部に対応する前記マイクロレンズの受光面積を小さくした分だけ前記緑色のカラーフィルタが積層された前記受光部に対応する前記マイクロレンズの受光面積を大きくしたことを特徴とする。

本発明のマイクロレンズ搭載型単板式カラー固体撮像素子は、上述したいずれかのマイクロレンズ搭載型単板式カラー固体撮像素子と、赤色光の入射光量を検出する受光部の検出信号を該受光部に積層したマイクロレンズの受光面積で補正する信号処理手段とを備えることを特徴とする。

本発明によれば、固体撮像素子の周辺領域における画素（受光部）で赤色光がケラレることで発生する色シェーディングを抑制することができ、良好なカラー画像の撮像が可能となる。

以下、本発明の一実施形態について、図面を参照して説明する。

図１は、画像入力装置の一例である本発明の一実施形態に係るデジタルスチルカメラの構成図である。この実施形態ではデジタルスチルカメラを例に説明するが、デジタルビデオカメラやカメラ付携帯電話機等のカメラ付電子機器、スキャナ等にも本発明を適用可能である。

図１に示すデジタルスチルカメラは、ズーム機能付撮影レンズ１０と、固体撮像素子１１と、この両者の間に設けられた絞り１２と、赤外線カットフィルタ１３と、光学ローパスフィルタ１４とを備える。デジタルスチルカメラの全体を制御するＣＰＵ１５は、フラッシュ用の発光部１６及び受光部１７を制御し、また、レンズ駆動部１８を制御して撮影レンズ１０のズーム位置やフォーカス位置に調整し、絞り駆動部１９を介し絞りの開口量を制御して露光量が適正露光量となるように調整する。

また、ＣＰＵ１５は、撮像素子駆動部２０を介して固体撮像素子１１を駆動し、撮影レンズ１０を通して撮像した被写体画像を色信号として出力させる。また、ＣＰＵ１５には、操作部２１を通してユーザの指示信号が入力され、ＣＰＵ１５はこの指示に従って各種制御を行う。

デジタルスチルカメラの電気制御系は、固体撮像素子１１の出力に接続されたアナログ信号処理部２２と、このアナログ信号処理部２２から出力されたＲＧＢの色信号をデジタル信号に変換するＡ／Ｄ変換回路２３とを備え、これらはＣＰＵ１５によって制御される。

更に、このデジタルスチルカメラの電気制御系は、メインメモリ（フレームメモリ）２４に接続されたメモリ制御部２５と、デジタル信号処理部２６と、撮像画像をＪＰＥＧ画像に圧縮したり圧縮画像を伸張したりする圧縮伸張処理部２７と、測光データを積算してホワイトバランスのゲインを調整させる積算部２８と、着脱自在の記録媒体２９が接続される外部メモリ制御部３０と、カメラ背面等に搭載された液晶表示部３１が接続される表示制御部３２とを備え、これらは、制御バス３３及びデータバス３４によって相互に接続され、ＣＰＵ１５からの指令によって制御される。

図２は、本実施形態で使用する固体撮像素子１１の表面模式図である。緑色（Ｇ）を検出するＧ画素４１を配列した行に対して、赤色（Ｒ）を検出するＲ画素４２と青色（Ｂ）を検出するＢ画素４３とを交互に配列した行を水平方向に１／２画素ピッチづつずらして配置（所謂、ハニカム画素配置）してある。そして、各画素４１，４２，４３から読み出された信号電荷を垂直方向に転送する垂直転送路４４，４５が、垂直方向の各画素４１，４２，４３を避けるように蛇行配置してある。

尚、本実施形態では、ハニカム画素配置のＣＣＤ型固体撮像素子１１を例に説明するが、正方格子配列のＣＣＤ型固体撮像素子にも本発明を適用可能であり、また、ＭＯＳ型の固体撮像素子にも本発明を適用可能である。

図３は、各画素４１，４２，４３の断面模式図である。各画素が形成されるｎ型半導体基板の表面部分にはＰウェル層５０が形成され、Ｐウェル層５０の表面部に１画素毎のｎ領域５１が形成され、このｐｎ接合に光が入射することで、光電荷が発生する。この光電荷は、図２の垂直転送路４４または４５に読み出されて図示しない水平転送路まで転送され、次に水平転送路を転送されて固体撮像素子１１から読み出される。

半導体基板のＰウェル層５０の上は遮光膜５２で覆われ、この遮光膜５２の各画素受光面対応カ所には夫々開口５３が穿設される。遮光膜５２の上には平坦化層を介してカラーフィルタ５４が積層され、その上に、平坦化層を介して各画素対応のマイクロレンズ５５が設けられる。

今、図３に示すマイクロレンズ５５を通して基板に垂直に光が入射したとする。この場合には、図４に示す様に、マイクロレンズ５５によって集光された集光点（これは実際には「点」ではなく、入射光の波長以上の直径を持つ面となる。）５７は、開口５３の内側に入ることになる。しかし、入射角が振れると、図４に示す様に、その集光点５７ａ，５７ａ’は開口５３の中央から外れ、開口５３の下にある画素受光部は、集光点５７ａの全光量を受光することができなくなってしまい、集光点５７ａのうち開口５３内の光量しか受光することができない。所謂、ケラレが発生する。

図１に示す撮影レンズ１０のズーム倍率を変化させたり、絞り１２の開口量を調節すると、固体撮像素子１１の周辺部の画素ほど入射光が斜めとなり、図４で説明した開口５３によるケラレが発生する。このケラレは、緑色光や青色光の場合にはあまり影響はないが、赤色光でケラレが発生すると、色シェーディングが目立ってしまう。例えば、グレーの被写体を固体撮像素子１１で撮像すると、画像の周辺部すなわち固体撮像素子１１の周辺画素の撮像色がマゼンタ気味やシアン気味になり、目立ってしまう。

そこで、本実施形態では、図５に示す様に、Ｇ画素４１に設けるマイクロレンズ５５ｇに対して、Ｒ画素４２に設けるマイクロレンズ５５ｒを、曲率を同じに保ったまま受光面積を小面積とする。これにより、Ｇ画素４１における集光点５７ｇに対してＲ画素４２の集光点５７ｒの径が小さくなり、固体撮像素子１１の周辺画素において入射光が斜めになっても赤色光の集光点５７ｒは開口５３内で移動するだけとなり、開口５３によるケラレが回避され、色シェーディングの発生が抑制される。

Ｒ画素４２のマイクロレンズ５５ｒの受光面積を小面積とすることで、Ｒ画素の赤色光に対する感度はＧ画素の緑色光に対する感度やＢ画素の青色光に対する感度より小さくなる。しかし、この感度低下は、マイクロレンズ５５ｒを小面積にしたことに起因するため、どの程度の感度低下が起こるかはマイクロレンズ５５ｇ，５５ｒの設計時に予め分かっている。このため、この感度低下を予めディフォルト値と図１に示すＣＰＵ１５や信号処理部２２，２６等が保持していれば、赤色光の感度低下を織り込んだ画像処理を行うことが可能である。

これに対し、開口５３による赤色光の意図しないケラレが発生すると、どの程度の感度低下を画像処理に反映すればよいかが分からない。しかし、本実施形態の固体撮像素子１１では、開口５３による赤色光のケラレが回避されるため、色シェーディングが抑制された綺麗な画像データを得ることが可能となる。

上述した実施形態では、固体撮像素子１１の全部のＲ画素のマイクロレンズ５５ｒをＧ画素のマイクロレンズ５５ｇに対して小さくしたが、マイクロレンズ５５ｒを小さくした分だけマイクロレンズ形成層にスペースが空く。このため、輝度検出に用いるＧ画素のマイクロレンズ５５ｇをその分だけ大きくすることも可能である。この場合、ベイヤー配列や図２に示すカラーフィルタ配列では、マイクロレンズ形成層に隙間無くマイクロレンズを形成するには、Ｂ画素のマイクロレンズもＲ画素のマイクロレンズ５５ｒと同じ大きさに小さくするのがよい。これにより、Ｇ画素のマイクロレンズ５５ｇを最も大きくすることが可能となる。

また、上述した実施形態では、固体撮像素子１１の全部のＲ画素のマイクロレンズ５５ｒをＧ画素のマイクロレンズ５５ｇに対して小さくしたが、入射光が斜めになるのは固体撮像素子１１の周辺画素であり、中央部分の画素では斜め入射の程度は大きくない。このため、Ｒ画素のマイクロレンズ５５ｒを、固体撮像素子１１の周辺に行くに従って小面積にすることで色シェーディングに対処することも可能である。また、周辺部のＲ画素のマイクロレンズ５５ｒだけ小面積とし、中央部のＲ画素のマイクロレンズ５５ｒをＧ画素のマイクロレンズ５５ｇと同じにすることでもよい。

固体撮像素子１１にカラーフィルタを形成する場合、ベイヤー配列や図２の配列ではなく、縦ストライプまたは横ストライプに各色カラーフィルタを形成する場合がある。この場合にも、上述した実施形態と同様に、Ｒ画素のカラーフィルタをＧ画素のカラーフィルタに比べて小面積にするのがよい。

また、波長の大きい色程、そのマイクロレンズを小面積にする構成としてもよい。即ち、波長はＲ＞Ｇ＞Ｂであるため、そのマイクロレンズの面積をＢ＞Ｇ＞Ｒの順にしてもよい。また、Ｇ画素とＢ画素のマイクロレンズを同一の大きさとし、Ｒ画素のマイクロレンズのみ小面積としてもよい。

本発明に係るマイクロレンズ搭載型単板式カラー固体撮像素子は色シェーディングを抑制できるという効果を奏し、デジタルカメラやスキャナ等の画像入力装置に適用すると有用である。

本発明の一実施形態に係るデジタルスチルカメラのブロック構成図である。 図１に示す固体撮像素子の表面模式図である。 図１に示す固体撮像素子の１画素分の断面模式図である。 図１に示す固体撮像素子の１画素分の開口と集光点との関係を示す図である。 図１に示す固体撮像素子のＧ画素とＲ画素との差違を示す図である。

符号の説明

４１ Ｇ画素
４２ Ｒ画素
４３ Ｂ画素
４４，４５ 垂直転送路
５２ 遮光膜
５３ 遮光膜の開口
５４ カラーフィルタ
５５ マイクロレンズ
５５ｇ Ｇ画素用のマイクロレンズ
５５ｒ Ｒ画素用のマイクロレンズ
５７ 集光点
５７ｇ 緑色光の集光点
５７ｒ 赤色光の集光点

Claims (3)

1. 半導体基板の表面部に複数の受光部が２次元アレイ状に形成されると共に各受光部の上に赤色，緑色，青色のいずれかのカラーフィルタ及びマイクロレンズが各受光部毎に積層されるマイクロレンズ搭載型単板式カラー固体撮像素子において、前記赤色のカラーフィルタが積層された前記受光部に対応する前記マイクロレンズの受光面積を、曲率を同じに保ったまま、前記緑色のカラーフィルタが積層された前記受光部に対応する前記マイクロレンズの受光面積より小さく形成すると共に、前記赤色のカラーフィルタが積層された前記受光部に対応する前記マイクロレンズの受光面積を素子周辺部に行くに従って徐々に小さくすることを特徴とするマイクロレンズ搭載型単板式カラー固体撮像素子。
2. 前記赤色のカラーフィルタが積層された前記受光部に対応する前記マイクロレンズの受光面積を小さくした分だけ前記緑色のカラーフィルタが積層された前記受光部に対応する前記マイクロレンズの受光面積を大きくしたことを特徴とする請求項１に記載のマイクロレンズ搭載型単板式カラー固体撮像素子。
3. 請求項１または請求項２に記載のマイクロレンズ搭載型単板式カラー固体撮像素子と、赤色光の入射光量を検出する受光部の検出信号を該受光部に積層したマイクロレンズの受光面積で補正する信号処理手段とを備えることを特徴とする画像入力装置。

Images