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JP6369233B2 - 固体撮像素子及びその信号処理方法、並びに電子機器 - Google Patents

固体撮像素子及びその信号処理方法、並びに電子機器 Download PDF

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Description

本開示は、固体撮像素子及びその信号処理方法、並びに電子機器に関し、特に、固体撮像素子間の感度差を抑制した感度補正を行うことができるようにする固体撮像素子及びその信号処理方法、並びに電子機器に関する。
CMOSイメージセンサなどの固体撮像素子において、マイクロレンズの一部を遮光、もしくはマイクロレンズが集光する光束を受けるフォトダイオードを分割することにより、被写体画像の位相差を検出し、焦点検出などに応用する例が開示されている（例えば、特許文献１,２）。
このような位相差検出機能付き固体撮像素子においては、その製造工程により、フォトダイオードに対してマイクロレンズや遮光部の位置ずれが発生しやすく、位置ずれは位相差を検出する画素対の感度差を発生させる。位相差の検出は、画素対の出力差分を用いるため、製造時の誤差（位置ずれ）による感度差は、位相差の精度を低下させる要因となる。この製造誤差は生産時のロットなどによってばらつくため、たとえば固体撮像素子間で感度差の程度や大小の方向はまちまちとなる。
そこで、製造誤差に起因する感度差を補正する固体撮像素子が開示されている（例えば、特許文献３）。特許文献３の実施例においては、感度差を生じた画素対において、出力の高い画素に対して、低い方の画素に補正係数を乗じて、出力が合わせられる。
特開２００１−２５０９３１号公報 特開２００５−３０３４０９号公報 特開２０１０−２３７４０１号公報
しかしながら、特許文献３に記載の補正方法においては、補正によって画素対の感度差は解消されるものの、補正係数によって補正される値の基準がないため、補正後の画素出力値は、固体撮像素子のばらつきの程度によってまちまちとなってしまう。例えば、同じ型番の固体撮像素子を使用していても、同じ光量で固体撮像素子から出力される値が、固体撮像素子毎に異なってしまう。その結果、位相差検出精度がチップ毎にばらついたり、合焦時に位相差画素出力をプレビューなどに利用する際に、画像の明るさがチップ毎にばらついたりする。
本開示は、このような状況に鑑みてなされたものであり、固体撮像素子間の感度差を抑制した感度補正を行うことができるようにするものである。
本開示の第１の側面の固体撮像素子は、複数の画素に対して１つのマイクロレンズが形成されている画素ユニットを有し、前記画素ユニット内の画素どうしの感度差を、前記画素ユニットの各画素の画素信号を加算した加算信号に基づいて算出された補正係数に基づいて補正する補正回路を備える。
本開示の第２の側面の固体撮像素子の信号処理方法は、複数の画素に対して１つのマイクロレンズが形成されている画素ユニットを有する固体撮像素子の補正回路が、前記画素ユニット内の画素どうしの感度差を、前記画素ユニットの各画素の画素信号を加算した加算信号に基づいて算出された補正係数に基づいて補正する。
本開示の第３の側面の電子機器は、複数の画素に対して１つのマイクロレンズが形成されている画素ユニットを有し、前記画素ユニット内の画素どうしの感度差を、前記画素ユニットの各画素の画素信号を加算した加算信号に基づいて算出された補正係数に基づいて補正する補正回路を備える固体撮像素子を備える。
本開示の第１乃至第３の側面においては、複数の画素に対して１つのマイクロレンズが形成されている。補正回路では、前記画素ユニット内の画素どうしの感度差が、前記画素ユニットの各画素の画素信号を加算した加算信号に基づいて算出された補正係数に基づいて補正される。
固体撮像素子及び電子機器は、独立した装置であっても良いし、他の装置に組み込まれるモジュールであっても良い。
本開示の第１乃至第３の側面によれば、固体撮像素子間の感度差を抑制した感度補正を行うことができる。
なお、ここに記載された効果は必ずしも限定されるものではなく、本開示中に記載されたいずれかの効果であってもよい。
本開示に係る固体撮像素子の第１の実施の形態を示すブロック図である。 画素の断面構成を示す図である。 画素ユニットを説明する図である。 画素ユニットを説明する図である。 画素の回路構成例を示す図である。 共有画素構造の場合の画素の回路構成例を示す図である。 マイクロレンズの位置ずれで発生する感度差について説明する図である。 マイクロレンズの位置ずれで発生する感度差について説明する図である。 感度差補正処理について説明する図である。 補正係数算出処理を説明するフローチャートである。 FD加算を用いた補正係数算出処理を説明するフローチャートである。 補正テーブルの例を示す図である。 感度差補正処理を説明するフローチャートである。 波長ごとの感度差補正処理を説明する図である。 波長ごとの感度差補正処理を説明する図である。 White画素の感度差補正処理を説明する図である。 White画素の感度差補正処理を説明する図である。 画素ユニットの配置変形例を示す図である。 画素ユニットのその他の構成例を示す図である。 固体撮像素子の基板構成例を説明する図である。 本開示に係る固体撮像素子の第２の実施の形態を示すブロック図である。 本開示に係る固体撮像素子の第３の実施の形態を示すブロック図である。 本開示に係る電子機器としての撮像装置の構成例を示すブロック図である。
以下、本開示を実施するための形態（以下、実施の形態という）について説明する。なお、説明は以下の順序で行う。
１．第１の実施の形態（補正回路とメモリを有する固体撮像素子の構成例）
２．第２の実施の形態（補正回路を有する固体撮像素子の構成例）
３．第３の実施の形態（カメラモジュールが補正回路とメモリを有する構成例）
４．電子機器への適用例
＜１．第１の実施の形態＞
＜固体撮像素子の概略構成例＞
図１は、本開示に係る固体撮像素子の概略構成を示すブロック図である。
図１の固体撮像素子１は、画素２（図２）が行列状に複数配列された画素アレイ部３と、その周辺の周辺回路部とを有して構成される。周辺回路部には、垂直駆動部４、AD変換部５、水平駆動部６、タイミング制御部７、信号処理回路８、及び出力回路９などが含まれる。
画素２は、光電変換部としてのフォトダイオードと、複数の画素トランジスタを有して構成される。複数の画素トランジスタは、例えば、転送トランジスタ、増幅トランジスタ、選択トランジスタ、リセットトランジスタなどのMOSトランジスタである。画素２の回路構成例については、図５及び図６を参照して後述する。
垂直駆動部４は、例えばシフトレジスタによって構成され、画素駆動配線（不図示）を介して各画素２に駆動パルスを供給することにより、行単位で画素２を駆動する。すなわち、垂直駆動部４は、画素アレイ部３の各画素２を行単位で順次垂直方向に選択走査し、各画素２のフォトダイオードにおいて入射光量に応じて生成された信号電荷に基づく画素信号を、列単位に共通に設けられた垂直信号線（不図示）を通してAD変換部５に供給する。
AD変換部５は、画素アレイ部３の１行分の各画素２から出力された画素信号に対して、画素固有の固定パターンノイズを除去するためのCDS(Correlated Double Sampling：相関２重サンプリング)処理や、AD変換処理を行う。
水平駆動部６は、例えばシフトレジスタによって構成され、水平走査パルスを順次出力することによって、AD変換部５に保持されている所定の一行の各画素のAD変換後の（デジタルの）画素信号を信号処理回路８に順次出力させる。
タイミング制御部７は、入力クロックと、動作モードなどを指令するデータを受け取り、また固体撮像素子１の内部情報などのデータを出力する。すなわち、タイミング制御部７は、垂直同期信号、水平同期信号及びマスタクロックに基づいて、垂直駆動部４、AD変換部５、及び、水平駆動部６などの動作の基準となるクロック信号や制御信号を生成する。そして、タイミング制御部７は、生成したクロック信号や制御信号を、垂直駆動部４、AD変換部５及び水平駆動部６等に出力する。
信号処理回路８は、補正回路１１とメモリ１２とを少なくとも有し、各画素の感度差を補正する感度差補正処理を実行し、処理後の画素信号を出力回路９に出力する。
具体的には、補正回路１１は、メモリ１２に記憶された補正係数に基づいて、各画素の感度差を補正する感度差補正処理を実行する。また、補正回路１１は、感度差補正処理を実行する際に必要となる補正係数を算出してメモリ１２に記憶させる補正係数算出処理も実行する。
メモリ１２は、補正回路１１による補正係数算出処理で求められた補正係数を記憶し、必要に応じて補正回路１１に供給する。
出力回路９は、信号処理回路８から順次出力される信号をバファリングして、外部の回路、例えば、後段のISP(Image Signal Processor)などに出力する。
以上のように構成される固体撮像素子１は、例えば、CDS処理とAD変換処理を画素列ごとに行うカラムAD方式と呼ばれるCMOSイメージセンサである。
＜画素の断面構成図＞
図２は、図１の画素アレイ部３内に行列状に配置されている画素２の断面構成を示す図である。
画素アレイ部３の各画素２では、例えば、P型（第１導電型）の半導体領域２１が形成されている半導体基板（シリコン基板）２０に、N型（第２導電型）の半導体領域２２を画素単位に形成することにより、フォトダイオードPDが画素単位に形成されている。なお、図２では、半導体領域２１が、便宜上、画素単位に区切られているが、このような境界は実際にはない。
半導体基板２０の表面側（図２では下側）には、フォトダイオードPDに蓄積された電荷の読み出し等を行う複数の画素トランジスタと、複数の配線層と層間絶縁膜とからなる多層配線層が形成されている（いずれも図示せず）。
一方、半導体基板２０の裏面側（図２では上側）には、例えば、シリコン酸化膜などによる反射防止膜（不図示）を介して、TEOS膜等の酸化膜２３が形成されている。
半導体基板２０の裏面側の画素境界部分には、遮光膜２４が、２画素間隔で形成されている。遮光膜２４は、光を遮光する材料であればよいが、遮光性が強く、かつ微細加工、例えばエッチングで精度よく加工できる材料が望ましい。遮光膜２４は、例えば、タングステン（Ｗ）、アルミニウム（Al）、銅（Cu）、チタン(Ti)、モリブデン(Mo)、ニッケル(Ni)などの金属膜で形成することができる。
酸化膜２３の上面には、カラーフィルタ２５が形成されている。カラーフィルタ２５は、例えば、赤色（Red）、緑色（Green）、または、青色（Blue）のいずれかであり、所定の色（波長）の光のみをフォトダイオードPDに通過させる。カラーフィルタ２５は、例えば、顔料や染料などの色素を含んだ感光性樹脂を回転塗布することによって形成される。
カラーフィルタ２５の上には、マイクロレンズ（オンチップレンズ）２６が形成されている。マイクロレンズ２６は、例えば、スチレン系樹脂、アクリル系樹脂、スチレン−アクリル共重合系樹脂、またはシロキサン系樹脂等の樹脂系材料で形成される。
マイクロレンズ２６は、図３に示されるように、水平方向及び垂直方向それぞれ２画素の２x２の４画素に対して１つとなるように形成されている。マイクロレンズ２６の境界は、少なくとも画素２の境界に一致するように、マイクロレンズ２６は配置されている。
また、カラーフィルタ２５の色配列も、１つのマイクロレンズ２６を共有する２x２の４画素のフォトダイオードPDが同一波長の光を受光するように、２x２の４画素単位でベイヤ配列となるように、赤色、緑色、または、青色のカラーフィルタ２５が形成されている。
以下の説明では、１つのマイクロレンズ２６を共有する２x２の４画素の共有単位を、画素ユニット３１と称する。
また、以下の説明では、図４に示されるように、画素ユニット３１を構成する２x２の４画素のうち、左上の画素２を画素A、右上の画素２を画素B、左下の画素２を画素C、右下の画素２を画素Dとも称する。また、赤色のカラーフィルタ２５が形成された画素２をRed画素、緑色のカラーフィルタ２５が形成された画素２をGreen画素、青色のカラーフィルタ２５が形成された画素２をBlue画素とも称する。
画素２は以上のように構成されており、固体撮像素子１は、画素トランジスタが形成される半導体基板２０の表面側と反対側の裏面側から光が入射される裏面照射型のCMOS固体撮像素子である。
図２及び図３で示したように、１つのマイクロレンズ２６を複数の画素２で共有する場合、例えば、画素AのフォトダイオードPDと画素BのフォトダイオードPDとでは、マイクロレンズ２６に対するフォトダイオードPDの形成位置が異なることにより、２つのフォトダイオードPDから生成される像に、ずれが発生する。この像のずれから、位相ずれ量を算出してデフォーカス量を算出し、撮影レンズを調整（移動）することで、オートフォーカスを達成することができる。
従って、図２のように、１つのマイクロレンズ２６が複数の画素２で共有されている場合には、１つのマイクロレンズ２６を共有する各画素の画素信号を用いて位相差を検出し、オートフォーカスを実現することができる。
＜画素の回路構成例＞
図５は、画素２の回路構成例を示す図である。
画素２は、光電変換部としてのフォトダイオードPD、転送トランジスタ４１、FD(フローティングディフュージョン)４２、リセットトランジスタ４３、増幅トランジスタ４４、および選択トランジスタ４５を有する。
フォトダイオードPDは、受光した光量に応じた電荷（信号電荷）を生成し、かつ、蓄積する。フォトダイオードPDは、アノード端子が接地されているとともに、カソード端子が転送トランジスタ４１を介して、FD４２に接続されている。
転送トランジスタ４１は、転送信号TGによりオンされたとき、フォトダイオードPDで生成された電荷を読み出し、FD４２に転送する。
FD４２は、フォトダイオードPDから読み出された電荷を保持する。リセットトランジスタ４３は、リセット信号RSTによりオンされたとき、FD４２に蓄積されている電荷がドレイン（定電圧源Vdd）に排出されることで、FD４２の電位をリセットする。
増幅トランジスタ４４は、FD４２の電位に応じた画素信号を出力する。すなわち、増幅トランジスタ４４は、垂直信号線４６を介して接続されている定電流源としての負荷MOS（不図示）とソースフォロワ回路を構成し、FD４２に蓄積されている電荷に応じたレベルを示す画素信号が、増幅トランジスタ４４から選択トランジスタ４５を介してAD変換部５に出力される。
選択トランジスタ４５は、選択信号SELにより画素２が選択されたときオンされ、画素２で生成された画素信号を、垂直信号線４６を介してAD変換部５に出力する。転送信号TG、選択信号SEL、及びリセット信号RSTが伝送される各信号線は、図１の垂直駆動部４と接続されている。
画素２は、以上のように構成することができるが、この構成に限定されるものではなく、その他の構成を採用することもできる。
＜共有画素構造の回路構成例＞
例えば、画素２は、画素ユニット３１を構成する４つの画素２で、FD４２、リセットトランジスタ４３、増幅トランジスタ４４、および選択トランジスタ４５を共有する共有画素構造とすることもできる。
図６は、共有画素構造の場合の画素ユニット３１の回路構成例を示す図である。
共有画素構造では、画素ユニット３１を構成する画素A乃至Dは、フォトダイオードPDと転送トランジスタ４１のみを個別に保有している。
即ち、画素Aは、フォトダイオードPDAと転送トランジスタ４１Aを有し、画素Bは、フォトダイオードPDBと転送トランジスタ４１Bを有し、画素Cは、フォトダイオードPDCと転送トランジスタ４１Cを有し、画素Dは、フォトダイオードPDDと転送トランジスタ４１Dを有する。
そして、FD４２、リセットトランジスタ４３、増幅トランジスタ４４、及び選択トランジスタ４５のそれぞれは、共有単位である４画素で共通に利用される。
画素A乃至Dの転送トランジスタ４１A乃至４１Dを別々にオンさせ、フォトダイオードPDA乃至PDDそれぞれに蓄積された電荷を順次FD４２に転送した場合には、画素単位の画素信号がAD変換部５に出力される。この撮像モードを、本実施の形態では、画素独立モードという。
一方、画素A乃至Dの転送トランジスタ４１A乃至４１Dを同時にオンさせ、フォトダイオードPDA乃至PDDそれぞれに蓄積された電荷をFD４２に同時転送した場合には、FD４２は加算部として機能し、画素ユニット３１内の４画素の画素信号を加算した加算信号がAD変換部５に出力される。この撮像モードを、本実施の形態では、画素加算モードという。
従って、画素ユニット３１内の複数の画素２は、垂直駆動部４からの駆動信号に応じて、１画素単位で画素信号を出力することもできるし、画素ユニット３１内の複数の画素２の画素信号を同時出力することもできる。
＜マイクロレンズの位置ずれに起因する感度差の説明＞
ところで、図３に示した例では、マイクロレンズ２６の中心が、画素ユニット３１の中心と一致するようにマイクロレンズ２６が配置された例を示しているが、実際の製造工程では、画素ユニット３１の中心に対して、マイクロレンズ２６の位置が多少ずれることがある。
画素ユニット３１の中心に対してマイクロレンズ２６の位置がずれている場合、画素ユニット３１内の画素どうしに感度差が発生する。
図７及び図８を参照して、マイクロレンズ２６の位置ずれで発生する感度差について説明する。
図７は、マイクロレンズ２６に位置ずれが発生していない場合の入射光の光強度を説明する図である。
被写体からの光（光束）は、合焦時、画素ユニット３１の上部に配置されたマイクロレンズ２６で集光され、画素ユニット３１内の各画素２のフォトダイオードPDに到達する。
図７Aにおいて、画素ユニット３１内に示される破線円の内部が、マイクロレンズ２６で集光された被写体光が入射されることにより、画素ユニット３１内で所定値以上の光強度を有する領域を示している。
マイクロレンズ２６の位置ずれが発生していない場合、図７Aに示されるように、マイクロレンズ２６で集光された被写体光の光強度は、各画素２に対して均等に分布する。そして、図７Bに示されるように、画素A乃至画素Dの各画素２が出力する画素信号（出力値）は、同一となる。
図８は、マイクロレンズ２６に位置ずれが発生している場合の入射光の光強度を説明する図である。
マイクロレンズ２６の位置ずれが発生している場合、図８Aに示されるように、所定値以上の光強度を有する領域を示す破線円の中心は、画素ユニット３１の中心からずれており、破線円の内側の各画素の領域は、画素毎に異なる。その結果、図８Bに示されるように、画素A乃至画素Dの各画素２が出力する画素信号（出力値）は、画素ごとに異なる。
以上のように、画素ユニット３１の中心に対してマイクロレンズ２６の位置がずれている場合、画素ユニット３１内の画素どうしで感度差が発生する。
信号処理回路８は、上述したようなマイクロレンズ２６の位置ずれなど、製造誤差に起因する画素ユニット３１内の画素どうしの感度差を補正する感度差補正処理を行う。
なお、理解を容易にするため、製造誤差として、マイクロレンズ２６の位置ずれのみについて説明したが、感度差が発生する原因はマイクロレンズ２６の位置ずれのみに限られない。信号処理回路８は、マイクロレンズ２６の位置ずれ以外の各種膜の製造誤差をも含んだ画素ユニット３１内の画素どうしの感度差を、感度差補正処理により補正することができる。
＜感度差補正処理＞
信号処理回路８が行う感度差補正処理について説明する。
感度差補正処理では、固体撮像素子１において製造誤差が発生しているとしても、図８Aに示されるように、所定値以上の光強度を有する領域を示す破線円の位置が、画素ユニット３１内に収まる点に着目する。換言すれば、感度差補正処理は、前提として、所定値以上の光強度を有する領域を示す破線円が画素ユニット３１の領域をはみ出す程、製造誤差が発生することはないこととする。
従って、画素ユニット３１単位で見た場合、入射光の総量は、製造誤差が発生していない場合と発生している場合とで変わらない。換言すれば、入射光の総量は、図７Aの画素ユニット３１と図８Aの画素ユニット３１とで変わらず、画素ユニット３１内での各画素への光強度の分配比率が変化するに過ぎない。製造ロットが異なり、固体撮像素子１ごとに位置ずれ方向が異なる場合でも同様である。
そのため、図９に示されるように、画素ユニット３１内の４画素の画素信号の画素平均値SigAveは、製造誤差が発生していない理想的な状態での各画素の画素信号（画素出力値）と同じになる。
そこで、信号処理回路８の補正回路１１は、補正係数算出処理として、画素ユニット３１内の４画素の画素信号の画素平均値SigAveを算出し、画素平均値SigAveと画素ユニット３１内の各画素の画素出力値との比を、補正係数として算出する。
具体的には、補正回路１１は、画素ユニット３１内の画素Aの補正係数aを、画素平均値SigAveと画素Aの画素出力値Sig1との比SigAve/Sig1（a＝SigAve/Sig1）により求める。また、補正回路１１は、画素ユニット３１内の画素Bの補正係数bを、画素平均値SigAveと画素Bの画素出力値Sig2との比SigAve/Sig2（b＝SigAve/Sig2）により求める。画素C及び画素Dの補正係数c及びdについても同様に、補正回路１１は、c＝SigAve/Sig3及びd＝SigAve/Sig4により求める。算出された各画素ユニット３１の補正係数a乃至dは、メモリ１２に記憶される。
＜補正係数算出処理のフローチャート＞
図１０のフローチャートを参照して、補正係数を算出する補正係数算出処理について説明する。この処理は、例えば、固体撮像素子１を製造後の検査工程において実行される。
初めに、ステップＳ１において、固体撮像素子１の画素アレイ部３全体に均一な光を照射した状態で、画素独立モードによる撮像が行われ、固体撮像素子１の補正回路１１は、画素アレイ部３内の全画素の画素信号を取得し、記憶する。
ステップＳ２において、補正回路１１は、画素アレイ部３内の所定の画素ユニット３１を、補正係数を算出するために注目する注目ユニットに設定する。
ステップＳ３において、補正回路１１は、注目ユニット内の４つの画素の画素信号の画素平均値SigAveを算出する。
ステップＳ４において、補正回路１１は、画素平均値SigAveと注目ユニット内の各画素の画素出力値との比を求めることにより、注目ユニット内の各画素の補正係数ａ乃至ｄを算出する。
ステップＳ５において、補正回路１１は、画素アレイ部３内の全ての画素ユニット３１を注目ユニットに設定したかを判定する。
ステップＳ５で、全ての画素ユニット３１をまだ注目ユニットに設定していないと判定された場合、処理はステップＳ２に戻り、それ以降の処理が繰り返し実行される。これにより、まだ注目ユニットに設定されていない画素ユニット３１が注目ユニットに設定され、注目ユニット内の各画素の補正係数ａ乃至ｄが算出される。
一方、ステップＳ５で、全ての画素ユニット３１が注目ユニットに設定されたと判定された場合、処理はステップＳ６に進む。
ステップＳ６において、補正回路１１は、算出した画素アレイ部３内の各画素ユニット３１の補正係数ａ乃至ｄを、メモリ１２に記憶させて、補正係数算出処理を終了する。
なお、上述した補正係数算出処理では、補正回路１１が注目ユニット内の４画素の画素信号を加算する加算処理も行う例であるが、画素２が図６に示した共有画素構造である場合には、上述したように、画素ユニット３１内のFD加算により、４画素の画素信号を加算した加算信号を得ることができる。したがって、画素２が共有画素構造である場合には、画素平均値SigAveの算出に、画素ユニット３１内のFD加算による加算信号を用いることができる。
＜FD加算を用いた補正係数算出処理のフローチャート＞
図１１は、画素ユニット３１内のFD加算による加算信号を用いて補正係数を算出する場合の補正係数算出処理のフローチャートを示している。
この処理では、初めに、ステップＳ１１において、固体撮像素子１の画素アレイ部３全体に均一な光を照射した状態で、画素独立モードによる撮像が行われ、固体撮像素子１の補正回路１１は、画素アレイ部３内の全画素の画素信号を取得し、記憶する。
ステップＳ１２において、ステップＳ１１と同一条件の均一な光を照射した状態で、画素加算モードによる撮像が行われ、固体撮像素子１の補正回路１１は、画素アレイ部３内の画素ユニット３１単位の加算信号を取得し、記憶する。
ステップＳ１３において、補正回路１１は、画素アレイ部３内の所定の画素ユニット３１を、補正係数を算出するために注目する注目ユニットに設定する。
ステップＳ１４において、補正回路１１は、注目ユニットの加算信号を画素数で除算し、画素平均値SigAveを算出する。
ステップＳ１５乃至Ｓ１７の処理は、図１０のステップＳ４乃至６と同様であるので、説明を省略する。
図１２は、補正係数算出処理によりメモリ１２に記憶された補正テーブルの例を示している。
図１２に示されるように、画素アレイ部３の各画素の補正係数ａ乃至ｄが、画素A、画素B、画素C、及び画素Dで分けられて、補正テーブルとしてメモリ１２に記憶されている。
画素アレイ部３の画素ユニット３１の個数は、ｘ方向にX個、ｙ方向にY個のXxY個である。そのため、画素アレイ部３内の画素ユニット３１の画素A用の補正係数ａは、補正係数ａ11からａXYまで算出されている。補正係数ａ11は、画素アレイ部３内において、左上隅を原点（0,0）として、ｘ方向に１個目、ｙ方向に１個目の画素ユニット３１の画素Aの補正係数ａである。補正係数ａ12は、画素アレイ部３内において、ｘ方向に１個目、ｙ方向に２個目の画素ユニット３１の画素Aの補正係数ａである。補正係数ａ21は、画素アレイ部３内において、ｘ方向に２個目、ｙ方向に１個目の画素ユニット３１の画素Aの補正係数ａである。その他の補正係数ａについても同様である。
画素アレイ部３内の画素ユニット３１の画素B用の補正係数ｂも、補正係数ｂ11からｂXYまで算出されている。同様に、画素C用の補正係数ｃも補正係数ｃ11からｃXYまで算出され、画素D用の補正係数ｄも補正係数ｄ11からｄXYまで算出されている。
感度差は、結像レンズのマウント誤差と合わせると、画素アレイ部３の撮像領域に対して面内分布（撮像領域内で緩やかに変化する傾向）を有する場合がある。補正係数を画素アレイ部３に対して単一の値ではなく、画素アレイ部３の撮像領域に対応する２次元テーブルとして保持することにより、感度差の面内分布にも対策することができる。
なお、図１２の補正テーブルは、画素アレイ部３内の画素２に対して１対１に補正係数を算出し、記憶する例であるが、画素アレイ部３を、例えば、１０x１０、１００x１００の領域に分割し、分割された領域に対して１セットの補正係数ａ乃至ｄを算出し、記憶させるようにしてもよい。この場合、１つの領域に含まれる複数の画素ユニット３１に対して、同一の補正係数ａ乃至ｄが適用される。このようにした場合でも、補正係数は２次元テーブルとして保持されるので、面内分布がある場合にも感度差を補正することができる。
＜感度差補正処理のフローチャート＞
次に、図１３のフローチャートを参照して、補正係数算出処理によりメモリ１２に記憶された補正係数を用いて感度差を補正する感度差補正処理について説明する。この処理は、例えば、メモリ１２に補正係数が記憶された後で、撮像が実行されたとき開始される。
初めに、ステップＳ３１において、補正回路１１は、画素アレイ部３で撮像された各画素の画素信号を取得する。即ち、画素アレイ部３は、所定のタイミングに従って撮像を行い、その結果得られた画素信号をAD変換部５に出力する。AD変換部５は、水平駆動部６の制御に従い、画素アレイ部３の各画素の画素信号をデジタル信号に変換し、補正回路１１に出力する。その結果、画素アレイ部３で撮像された各画素のデジタルの画素信号が、補正回路１１に供給される。
ステップＳ３２において、補正回路１１は、メモリ１２に記憶されている補正係数を取得する。なお、既に補正係数がメモリ１２に読み出されている場合、この処理は省略することができる。
ステップＳ３３において、補正回路１１は、AD変換部５から供給された所定画素の画素信号に、その画素の補正係数（ａ乃至ｄのいずれか）を乗算し、感度差補正後の画素信号を算出する。算出された感度差補正後の画素信号は、出力回路９に出力される。
ステップＳ３３の処理は、AD変換部５から画素信号が供給される度に実行され、AD変換部５から画素信号が供給されなくなった時点で、感度差補正処理は終了する。
以上の感度差補正処理によれば、どの固体撮像素子１においても、感度差を、図７に示した製造ばらつきのない理想的な状態の画素出力値に合わせる補正を行うので、例えば製造時期や製造ロットに関わらず、同じ型番の固体撮像素子１であれば、同一の感度で画素信号を出力することができる。即ち、固体撮像素子間の感度差を抑制した感度補正を行うことができる。
これにより、例えば、位相差検出精度がチップ毎にばらついたり、合焦時に位相差画素出力をプレビューなどに利用する際に、画像の明るさがチップ毎にばらついたりすることを防止することができる。
本開示によれば、同じ型番の固体撮像素子１であれば、同一の感度で画素信号が得られるので、固体撮像素子１が組み込まれた撮像装置等において、シャッタ値の制御や撮像画像の画像処理が容易となる。
＜波長ごとの感度差補正処理＞
感度差のばらつきの要因としては、製造ばらつきに加えて、入射してくる光の波長の違いも考えられる。図１４に示されるように、例えば、波長の長い赤色光と波長の短い青色光とでは、屈折や回折の特性、シリコン層内への到達深さが異なるためである。
そこで、固体撮像素子１の信号処理回路８は、図１５に示されるように、図１２と同様の補正テーブルを、Red画素用補正テーブル、Green画素用補正テーブル、及び、Blue画素用補正テーブルのように、画素２が受光する光の波長ごと（色ごと）に設けるようにすることができる。光の波長ごとの補正テーブルは、例えば、ある色温度の白色光の下で、赤色のカラーフィルタ２５を通過してくる光は、赤色の波長帯の中で波長分布をもつ光であるので、その代表的な波長分布を持つ光に対して補正係数を算出することに相当する。
このように光の波長ごとに補正テーブルをもつ場合、図１０の補正係数算出処理のステップＳ１では、単一の色温度による均一光が画素アレイ部３に照射され、各画素の画素信号が取得される。そして、ステップＳ６では、Red画素用、Green画素用、及び、Blue画素用のそれぞれに分離して、補正テーブルが作成され、メモリ１２に格納される。これにより、赤色、緑色、青色のそれぞれの波長帯ごとに算出された補正係数を用いて、感度差を補正することができるので、精度の高い補正を行うことができる。
なお、図１５におけるRed画素用補正テーブル、Green画素用補正テーブル、及び、Blue画素用補正テーブルそれぞれの補正係数ａ乃至ｄの個数（MxN個）は、画素アレイ部３内のRed画素、Green画素、及び、Blue画素の個数に応じた数となる。
＜RGBW配列の感度差補正処理＞
上述した例では、赤色、緑色、または、青色のカラーフィルタ２５が、マイクロレンズ２６が配置される単位である２x２の４画素を単位として、ベイヤ配列で配置されているとして説明した。
しかし、カラーフィルタ２５の色配列は、その他の配列でもよく、例えば、図１６に示されるように、マイクロレンズ２６が配置される単位である２x２の４画素を単位として、赤色（Red）、緑色（Green）、青色（Blue）、または、白色（White）の色配列（RGBW配列）であってもよい。白色のカラーフィルタ２５は、全波長帯域の光を通過させるフィルタである。
白色のカラーフィルタ２５を有する画素２（以下、White画素ともいう。）のフォトダイオードPDには、赤色、緑色、及び青色の全ての波長帯の光が入射されるため、被写体の色温度によって感度差が変化する。
そこで、White画素用補正テーブルとして、図１７に示されるように、例えば、色温度3000K時補正テーブル、色温度4000K時補正テーブル、色温度5000K時補正テーブルのように、色温度別に、White画素用補正テーブルが生成され、メモリ１２に記憶される。
このように色温度別にWhite画素用補正テーブルをもつ場合の補正係数算出処理では、画素アレイ部３のWhite画素に対して、所定の色温度に設定された均一光が画素アレイ部３に照射された状態で画素信号を取得する処理が、White画素用補正テーブルを作成する色温度それぞれについて行われる。
そして、図１３の感度差補正処理においては、補正回路１１は、撮像により得られた各画素の画素信号のうち、補正対象のWhite画素から一定範囲内の局所領域内のRed画素とGreen画素の画素信号比（感度比）R/G、及び、Blue画素とGreen画素の画素信号比（感度比）B/Gを算出し、その結果を基に入射光の色温度を推定する。そして、補正回路１１は、White画素用補正テーブルとして、推定された色温度のWhite画素用補正テーブルを用いて補正係数を取得し、感度差を補正した画素信号を算出する。
White画素では、全波長帯の光が入射されるので、被写体の波長や色温度に依存する感度差が見えやすくなるが、上述したように、White画素の補正テーブルとして、入射光の色温度に対応した補正テーブルを適用することで、精度の高い補正を行うことができる。
カラーフィルタ２５の色配列がRGBW配列である場合において、White画素以外のRed画素用、Green画素用、及び、Blue画素については、図１５に示した色ごとの補正テーブルを用いることができる。あるいは、Red画素用、Green画素用、及び、Blue画素についても、White画素と同様に、さらに色温度別に補正テーブルを生成して、撮像時には、Red画素、Green画素、及び、Blue画素を用いた画素信号比（感度比）に基づいて推定された色温度に対応した補正テーブルを用いるようにしてもよい。
波長別または色温度別の補正用テーブルを用いた場合には、被写体の色温度または光の波長に依存して変化する感度差にも対処した補正ができるので、より高精度に感度差を補正することができる。
＜画素ユニットの配置変形例＞
上述した例では、図３や図１６に示したように、画素ユニット３１が行列状に規則的に配列されることにより、画素アレイ部３が構成されていた。
しかしながら、例えば、図１８に示されるように、画素ユニット３１が、画素アレイ部３内の一部に点在するように配置される構成とすることもできる。
画素アレイ部３内の画素ユニット３１以外の画素２では、例えば、図１８に示されるように、画素毎にカラーフィルタ２５及びマイクロレンズ６１が形成される。
画素ユニット３１のカラーフィルタ２５の色配列は、図１８の例では、局所的な４つの画素ユニット３１で、赤色、緑色、緑色、及び青色のベイヤ配列とされているが、画素アレイ部３内の全ての画素ユニット３１のカラーフィルタ２５は、所定の色（例えば、緑色）で統一されていてもよい。
＜画素ユニットのその他の構成例＞
図１９は、画素ユニット３１のその他の構成例を示している。
上述した例では、画素ユニット３１は、４画素で構成されていたが、図１９では、画素ユニット３１は２画素で構成されており、マイクロレンズ２６も画素ユニット３１を構成する２画素で共有されている。
各画素２のカラーフィルタ２５は、例えば、図１９に示されるように、１画素単位でベイヤ配列となるように形成される。
このように画素ユニット３１が２画素で構成されている場合には、例えば、同色のカラーフィルタ２５が形成されている画素で、かつ、マイクロレンズ２６の形状（曲面）が対称となる画素どうしの画素信号を用いて位相差の検出が行われる。
以上のように、本開示の画素ユニット３１は、例えば、２画素、４画素、８画素など、複数の画素２に対して１つのマイクロレンズ２６が形成された単位であればよい。ただし、画素ユニット３１の境界は、フォトダイオードPDを有する各画素２の境界と一致するように配置される。
＜固体撮像素子の基板構成例＞
図１の固体撮像素子１は、図２０A乃至図２０Cのいずれかの基板構成を採用することができる。
図２０Aは、固体撮像素子１が１枚の半導体基板（シリコン基板）８１に形成された例を示している。具体的には、１枚の半導体基板８１に、画素２が行列状に複数配列されている画素領域９１と、各画素２を制御する制御回路９２と、画素信号の信号処理回路を含むロジック回路９３とが形成されている。
図２０Bは、固体撮像素子１が２枚の半導体基板８２及び８３の積層構造により形成された例を示している。具体的には、上側の半導体基板８２には、画素領域９１と制御回路９２が形成され、下側の半導体基板８３には、ロジック回路９３が形成されている。半導体基板８２と８３は、例えば、貫通ビアやCu-Cuの金属結合により電気的に接続される。
図２０Cも、固体撮像素子１が２枚の半導体基板８４及び８５の積層構造により形成された例を示している。具体的には、上側の半導体基板８４には、画素領域９１のみが形成され、下側の半導体基板８５には、制御回路９２とロジック回路９３が形成されている。半導体基板８４と８５は、例えば、貫通ビアやCu-Cuの金属結合により電気的に接続される。
＜２．第２の実施の形態＞
＜固体撮像素子の概略構成例＞
図２１は、本開示に係る固体撮像素子の第２の実施の形態を示すブロック図である。
図２１において、図１に示した第１の実施の形態と対応する部分については同一の符号を付してあり、その部分の説明は適宜省略する。
第２の実施の形態の固体撮像素子１では、信号処理回路８にメモリ１２が設けられていない点が、図１に示した第１の実施の形態の固体撮像素子１と異なる。換言すれば、第２の実施の形態における固体撮像素子１の信号処理回路８は、補正回路１１のみで構成されている。
第２の実施の形態では、補正テーブルが格納されるメモリ１２は、固体撮像素子１の外部のカメラモジュール１０１に設けられている。補正回路１１は、補正係数算出処理により得られた補正係数をメモリ１２に記憶させるとともに、感度差補正処理では、カメラモジュール１０１のメモリ１２から補正係数を取得して、感度差を補正した画素信号を求める。
＜３．第３の実施の形態＞
＜固体撮像素子の概略構成例＞
図２２は、本開示に係る固体撮像素子の第３の実施の形態を示すブロック図である。
図２２において、図１に示した第１の実施の形態と対応する部分については同一の符号を付してあり、その部分の説明は適宜省略する。
第３の実施の形態の固体撮像素子１には、信号処理回路８が設けられていない点が、図１に示した第１の実施の形態の固体撮像素子１と異なる。第３の実施の形態では、信号処理回路８は、固体撮像素子１の外部のカメラモジュール１０１に設けられている。
第３の実施の形態では、感度差が補正されない画素信号が、固体撮像素子１の出力回路９から、カメラモジュール１０１の信号処理回路８に供給される。信号処理回路８の補正回路１１は、補正係数算出処理を実行して、感度差を補正する補正係数をメモリ１２に記憶させる。また、補正回路１１は、固体撮像素子１から、撮像画像の画素信号が供給された場合、感度差補正処理を実行する。即ち、補正回路１１は、カメラモジュール１０１のメモリ１２から補正係数を取得して、固体撮像素子１からの画素信号に感度差補正を施し、感度差補正後の画素信号を後段の回路に出力する。
以上のように、補正回路１１及びメモリ１２の両方または一方は、固体撮像素子１の外部に設けることができる。
＜４．電子機器への適用例＞
上述した固体撮像素子１は、例えば、デジタルスチルカメラやデジタルビデオカメラなどの撮像装置、撮像機能を備えた携帯電話機、または、撮像機能を備えたオーディオプレーヤといった各種の電子機器に適用することができる。
図２３は、本開示に係る電子機器としての撮像装置の構成例を示すブロック図である。
図２３に示される撮像装置２０１は、光学系２０２、シャッタ装置２０３、固体撮像素子２０４、制御回路２０５、信号処理回路２０６、モニタ２０７、およびメモリ２０８を備えて構成され、静止画像および動画像を撮像可能である。
光学系２０２は、１枚または複数枚の結像レンズを有して構成され、被写体からの光（入射光）を固体撮像素子２０４に導き、固体撮像素子２０４の受光面に結像させる。
シャッタ装置２０３は、光学系２０２および固体撮像素子２０４の間に配置され、制御回路２０５の制御に従って、固体撮像素子２０４への光照射期間および遮光期間を制御する。
固体撮像素子２０４は、上述した固体撮像素子１により構成される。固体撮像素子２０４は、光学系２０２およびシャッタ装置２０３を介して受光面に結像される光に応じて、一定期間、信号電荷を蓄積する。固体撮像素子２０４に蓄積された信号電荷は、制御回路２０５から供給される駆動信号（タイミング信号）に従って転送される。固体撮像素子２０４は、それ単体でワンチップとして構成されてもよいし、光学系２０２ないし信号処理回路２０６などと一緒にパッケージングされたカメラモジュールの一部として構成されてもよい。
制御回路２０５は、固体撮像素子２０４の転送動作、および、シャッタ装置２０３のシャッタ動作を制御する駆動信号を出力して、固体撮像素子２０４およびシャッタ装置２０３を駆動する。
信号処理回路２０６は、固体撮像素子２０４から出力された画素信号に対して各種の信号処理を施す。信号処理回路２０６が信号処理を施すことにより得られた画像（画像データ）は、モニタ２０７に供給されて表示されたり、メモリ２０８に供給されて記憶（記録）されたりする。
上述したように、固体撮像素子２０４として、上述した各実施の形態に係る固体撮像素子１を用いることで、固体撮像素子間の感度差を抑制した感度補正を行うことができる。従って、ビデオカメラやデジタルスチルカメラ、さらには携帯電話機等のモバイル機器向けカメラモジュールなどの撮像装置２０１においても、撮像画像の高画質化を図ることができる。
本開示の実施の形態は、上述した実施の形態に限定されるものではなく、本開示の要旨を逸脱しない範囲において種々の変更が可能である。
上述した例では、第１導電型をP型、第２導電型をN型として、電子を信号電荷とした固体撮像素子について説明したが、本開示は正孔を信号電荷とする固体撮像素子にも適用することができる。すなわち、第１導電型をN型とし、第２導電型をP型として、前述の各半導体領域を逆の導電型の半導体領域で構成することができる。
また、本開示は、可視光の入射光量の分布を検知して画像として撮像する固体撮像素子への適用に限らず、赤外線やX線、あるいは粒子等の入射量の分布を画像として撮像する固体撮像素子や、広義の意味として、圧力や静電容量など、他の物理量の分布を検知して画像として撮像する指紋検出センサ等の固体撮像素子（物理量分布検知装置）全般に対して適用可能である。
上述した各実施の形態の全てまたは一部を任意に組み合わせた形態を採用することができる。
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、本明細書に記載されたもの以外の効果があってもよい。
なお、本開示は以下のような構成も取ることができる。
（１）
マイクロレンズの境界が画素の境界に一致するように、複数の画素に対して１つの前記マイクロレンズが形成されている画素ユニットを有し、
前記画素ユニット内の画素どうしの感度差を、補正係数に基づいて補正する補正回路を備える
固体撮像素子。
（２）
前記補正係数は、前記画素ユニットの各画素の画素信号を加算した加算信号に基づいて算出される
前記（１）に記載の固体撮像素子。
（３）
前記画素ユニットは、前記加算信号を生成する加算部を有する
前記（２）に記載の固体撮像素子。
（４）
前記加算部は、前記画素ユニットの各画素で共有されるFDである
前記（３）に記載の固体撮像素子。
（５）
前記補正係数は、前記加算信号を前記画素ユニットの画素数で除算した画素平均値に基づいて計算される
前記（２）乃至（４）のいずれかに記載の固体撮像素子。
（６）
前記補正係数は、前記画素平均値と、前記画素ユニットの各画素の画素信号との比で計算される
前記（５）に記載の固体撮像素子。
（７）
前記補正回路は、前記画素ユニットの各画素の画素信号を加算して前記加算信号を算出する加算処理も行う
前記（２）に記載の固体撮像素子。
（８）
前記補正係数を記憶するメモリをさらに備え、
前記補正回路は、前記メモリから取得した前記補正係数に基づいて補正する
前記（１）乃至（７）のいずれかに記載の固体撮像素子。
（９）
前記画素ユニットは、前記画素が行列状に２次元配列された画素アレイ部内に複数配置されており、
前記補正係数は、前記画素ユニットを構成する画素ごとに設けられる
前記（１）乃至（８）のいずれかに記載の固体撮像素子。
（１０）
前記画素ユニットは、前記画素が行列状に２次元配列された画素アレイ部内に複数配置されており、
前記補正係数は、前記画素アレイ部を所定数に分割した領域単位に設けられる
前記（１）乃至（９）のいずれかに記載の固体撮像素子。
（１１）
前記補正係数は、前記画素が受光する光の波長ごとに設けられる
前記（１）乃至（１０）のいずれかに記載の固体撮像素子。
（１２）
前記補正係数は、前記画素が受光する光の色温度ごとに設けられる
前記（１）乃至（１１）のいずれかに記載の固体撮像素子。
（１３）
前記補正回路は、前記画素が受光する光の色温度を、他の画素の画素信号を用いて推定し、推定された色温度に応じた前記補正係数に基づいて補正する
前記（１２）に記載の固体撮像素子。
（１４）
光の色温度を推定する前記画素は、白色のカラーフィルタが形成されたWhite画素である
前記（１３）に記載の固体撮像素子。
（１５）
裏面照射型である
前記（１）乃至（１４）のいずれかに記載の固体撮像素子。
（１６）
複数の半導体基板が積層された積層構造である
前記（１）乃至（１５）のいずれかに記載の固体撮像素子。
（１７）
マイクロレンズの境界が画素の境界に一致するように、複数の画素に対して１つの前記マイクロレンズが形成されている画素ユニットを有する固体撮像素子の補正回路が、
前記画素ユニット内の画素どうしの感度差を、補正係数に基づいて補正する
固体撮像素子の信号処理方法。
（１８）
マイクロレンズの境界が画素の境界に一致するように、複数の画素に対して１つの前記マイクロレンズが形成されている画素ユニットを有し、
前記画素ユニット内の画素どうしの感度差を、補正係数に基づいて補正する補正回路を備える
固体撮像素子
を備える電子機器。
１ 固体撮像素子， ２ 画素， ３ 画素アレイ部， ８ 信号処理回路， １１ 補正回路， １２ メモリ， ３１ 画素ユニット， ２５ カラーフィルタ， ２６ マイクロレンズ， PD フォトダイオード， ８１乃至８５ 半導体基板， ２０１ 撮像装置， ２０４ 固体撮像素子

Claims (17)

  1. 複数の画素に対して１つのマイクロレンズが形成されている画素ユニットを有し、
    前記画素ユニット内の画素どうしの感度差を、前記画素ユニットの各画素の画素信号を加算した加算信号に基づいて算出された補正係数に基づいて補正する補正回路を備える
    固体撮像素子。
  2. 前記画素ユニットは、前記加算信号を生成する加算部を有する
    請求項１に記載の固体撮像素子。
  3. 前記加算部は、前記画素ユニットの各画素で共有されるFDである
    請求項２に記載の固体撮像素子。
  4. 前記補正係数は、前記加算信号を前記画素ユニットの画素数で除算した画素平均値に基づいて計算される
    請求項１乃至３のいずれかに記載の固体撮像素子。
  5. 前記補正係数は、前記画素平均値と、前記画素ユニットの各画素の画素信号との比で計算される
    請求項４に記載の固体撮像素子。
  6. 前記補正回路は、前記画素ユニットの各画素の画素信号を加算して前記加算信号を算出する加算処理も行う
    請求項１に記載の固体撮像素子。
  7. 前記補正係数を記憶するメモリをさらに備え、
    前記補正回路は、前記メモリから取得した前記補正係数に基づいて補正する
    請求項１乃至６のいずれかに記載の固体撮像素子。
  8. 前記画素ユニットは、前記画素が行列状に２次元配列された画素アレイ部内に複数配置されており、
    前記補正係数は、前記画素ユニットを構成する画素ごとに設けられる
    請求項１乃至７のいずれかに記載の固体撮像素子。
  9. 前記画素ユニットは、前記画素が行列状に２次元配列された画素アレイ部内に複数配置されており、
    前記補正係数は、前記画素アレイ部を所定数に分割した領域単位に設けられる
    請求項１乃至７のいずれかに記載の固体撮像素子。
  10. 前記補正係数は、前記画素が受光する光の波長ごとに設けられる
    請求項１乃至９のいずれかに記載の固体撮像素子。
  11. 前記補正係数は、前記画素が受光する光の色温度ごとに設けられる
    請求項１乃至１０のいずれかに記載の固体撮像素子。
  12. 前記補正回路は、前記画素が受光する光の色温度を、他の画素の画素信号を用いて推定し、推定された色温度に応じた前記補正係数に基づいて補正する
    請求項１１に記載の固体撮像素子。
  13. 光の色温度を推定する前記画素は、白色のカラーフィルタが形成されたWhite画素である
    請求項１２に記載の固体撮像素子。
  14. 裏面照射型である
    請求項１乃至１３のいずれかに記載の固体撮像素子。
  15. 複数の半導体基板が積層された積層構造である
    請求項１乃至１４のいずれかに記載の固体撮像素子。
  16. 複数の画素に対して１つのマイクロレンズが形成されている画素ユニットを有する固体撮像素子の補正回路が、
    前記画素ユニット内の画素どうしの感度差を、前記画素ユニットの各画素の画素信号を加算した加算信号に基づいて算出された補正係数に基づいて補正する
    固体撮像素子の信号処理方法。
  17. 複数の画素に対して１つのマイクロレンズが形成されている画素ユニットを有し、
    前記画素ユニット内の画素どうしの感度差を、前記画素ユニットの各画素の画素信号を加算した加算信号に基づいて算出された補正係数に基づいて補正する補正回路を備える
    固体撮像素子
    を備える電子機器。
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