JP2004158686A - 固体撮像素子 - Google Patents

Abstract

【課題】各画素に対応する受光部に感度差のある複数の感光部を有する固体撮像素子において、シェーディングの影響の少ない固体撮像素子を提供。
【解決手段】固体撮像素子１０は、各画素ごとに感度の高い主感光部２２、および感度の低い従感光部２４で形成される受光部１２を有し、各受光部１２にそれぞれ入射光を集光するマイクロレンズ５２を備えている。このマイクロレンズ５２は、その光学中心を従感光部２４の側に寄せて設置されている。これによって、マイクロレンズ５２は、入射光をその入射角度にかかわらず都合よく集光して、集光した光束を主感光部２２だけでなく従感光部２４にも効率よく入射することができ、各感光部２２および２４は、受光光量を十分に得ることができる。結果として、各感光部２２および２４の感度低下およびばらつきが低減し、撮影した画像の、特にその周縁部における輝度シェーディングが低減する。
【選択図】 図６

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、被写界からの入射光が入射される撮像面の各画素において、感度の異なる複数の感光部が配置された受光部、およびこの受光部に入射光を集光するマイクロレンズを備えた固体撮像素子に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来から、固体撮像素子は、各画素に対応する受光部において、開口部の大きさが異なる主感光部と従感光部とを形成することによって感度差をもたせ、広ダイナミックレンジ化を実現している。このとき、主感光部は、開口部が大きく、感度が高い感光部であり、一定以上の入射光量が特定できなくなるものであるが、従感光部は、開口部が小さく、感度の低い感光部であり、主感光部に比べて飽和しにくいため適切な入射光量を求めることができる。したがって、これらの感光部の信号出力を各画素ごとに混合することによって画像信号を広いダイナミックレンジで得ている。
【０００３】
ところで、固体撮像素子が出力する画像信号は、さまざまな原因により各受光部における受光光量が不均一となるシェーディングが発生する。マイクロレンズが形成された固体撮像素子を用いたディジタルカメラの場合、入射光がマイクロレンズによって集光されて受光部に入射するため、実質的に開口率が向上しているが、その入射角度によって各受光部における受光光量は変化する。一般的には、固体撮像素子の周縁部では傾斜して入射する入射光が多く、その傾斜の方向が偏るため、中心部に比べて受光部における受光光量が低下する。このため、撮影した画像の周縁部において輝度が低下するといういわゆるシェーディングが発生する。従来から、シェーディングが生じた画像信号は、ディジタル処理やメモリなどを使用することにより補正され、その補正回路の簡素化が可能になっている。
【０００４】
しかし、固体撮像素子では、画素に対応する受光部に感度の異なる複数の感光部を形成してダイナミックレンジの拡大を図ると、感光部ごとに光電変換特性などが異なるため、適切なシェーディング補正ができない。そこで、この適切なシェーディング補正を行なうために、特許文献１では、感度の低い受光素子（すなわち上述の感光部）を、各画素において撮像画面の中心から遠い側に配置し、たとえば、各画素の受光部において感度の高い受光素子に対して左右上下のいずれかの位置に、全体としては画面中心に対して対称に配置する固体撮像素子を備えることによって、シェーディングの偏りを防ぎ、これら感度の異なる受光素子でも共通のシェーディング補正を行う固体撮像装置が知られている。
【０００５】
【特許文献１】
特願２００２−２２８５６２。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
上に記載するような固体撮像素子は、ディジタルスチルカメラなどの固体撮像装置に適用すると、固体撮像素子の撮像面１８が図３に示すように設置されて、撮像面１８の被写体側に置かれた絞り機構（図示せず）の絞り値が小さい場合、または光学系レンズ３４の射出瞳位置と撮像面１８との距離が短い場合などでは、撮像面１８に対して傾斜して入射する入射光が相対的に増加する。特に撮像面１８の周縁部では、周縁方向に向かって傾斜して入射する入射光が多く、より鋭角に入射するものもある。
【０００７】
この撮像面１８は、図５に示すように、各画素に対応する受光部１２を複数個有し、各受光部１２は、主感光部２２および従感光部２４を含み、これらの感光部に光束を集光するマイクロレンズ５２を各受光部ごとに備えている。このとき、撮像面１８への入射光は、その入射角によってはこのマイクロレンズ５２で大きく屈折され、この屈折された光束は、各感光部２２および２４に入射しにくくなる。
【０００８】
たとえば、撮像面１８に垂直に入射する入射光６０２は、図８に示すように、マイクロレンズ５２によって都合よく集光され、主感光部の開口部６２、および従感光部の開口部６４に多くの光束を入射させることができるが、撮像面１８に斜めに入射する入射光６０４は、図９や図１０に示すように、マイクロレンズ５２によって大きく屈折され、各感光部の開口部６２および６４に入射する光束が減少し、集光率が低下する。特に、従感光部２４は、開口部６４が小さいために集光率が低下しやすく、その感度がさらに低下する。
【０００９】
このように、固体撮像素子１０の撮像面１８において、斜めに入射する入射光が多い画素位置では、感度低下が起こりやすく、そのため、撮影した画像にはシェーディングが発生する。また、光束の入射角によって各感光部２２および２４の集光率が大きく変化するため、シェーディング形状（プロファイル）が変化することもある。
【００１０】
また、入射光は、撮像面１８上で結像する際に、光学系レンズ３４により集光されて錯乱円（イメージサークル）４４を出現させるが、上述のように光束が斜めに入射すると撮像面１８の周縁方向にずれて集光されるため、図４に示すように、錯乱円４４は、受光部の開口部４２から撮像面１８の周縁方向にずれた位置に出現する。この錯乱円４４は、撮像面１８の周縁部に近づくに従って、受光部の開口部４２から大きくずれる。この撮像面１８の各受光部１２において、図５に示すように、従感光部２４が主感光部２４の上方に備えられている場合、図４に示すような錯乱円４４が出現すると、特に、撮像面１８の下側の画素位置では、従感光部２４における集光率が低下する。
【００１１】
この撮像面１８の平面における上側の画素位置の受光部１２では、図９に示すように、斜めの入射光６０４が多いとき、各感光部の開口部６２および６４に入射する光束は減少するが、主感光部の開口部６２は、受光可能な領域が大きいため、また従感光部の開口部６４は、撮像面１８の周縁部に近く、集光される方向に位置するため、光束を集めることは比較的容易である。一方、撮像面１８の下側の画素位置では、図１０に示すように、マイクロレンズ５２で集光された光束は、主感光部の開口部６２には入射しやすいが、従感光部の開口部６４には入射しにくく、その入射角によっては入射しないことがあり、集光率が低下しやすい。このように、撮像面１８の上側と下側とで、従感光部２４の受光光量に差が生じるため、撮影した画像の上下で非対称な輝度シェーディングが発生しやすくなる。
【００１２】
本発明はこのような従来技術の欠点を解消し、特に低感度の感光部における感度低下を低減させ、さらには撮像面、特にその周縁部に発生するシェーディングを低減させて画像品質の低下を防ぐことができる固体撮像素子を提供することを目的とする。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
本発明によれば、被写界からの入射光を結像する撮像面を含み、この撮像面は、行および列方向に配列されこの撮像面を形成する各画素に対応する複数の受光部、およびこの複数の受光部のそれぞれに備えられて入射光を集光するマイクロレンズを含み、この複数の受光部のそれぞれは、第１の感度を有し、この入射光を光電変換する第１の感光部と、第１の感度より低い第２の感度を有し、この入射光を光電変換する第２の感光部とを含む固体撮像素子は、このマイクロレンズは、その光学中心をこの受光部の中心からこの撮像面の中心寄りにずらして設置されていることを特徴とする。
【００１４】
【発明の実施の形態】
次に添付図面を参照して本発明による固体撮像素子の実施例を詳細に説明する。
【００１５】
実施例の固体撮像素子では、画素に対応する受光部は、複数の感光部を用いて、各感光部の開口部の大きさに差をもたらすことにより、感度、すなわち光電変換効率を変え、ダイナミックレンジの拡大を図っている。これらの感光部の開口部へ集光を行なうマイクロレンズの中心を、受光部の中心からずらして都合よく配設することによって、特に撮像面の周縁部において、感光部、とりわけ低感度の感光部への集光率を向上させ、受光部における感度低下および輝度シェーディングを低減させて画像品質の低下を防いでいる。
【００１６】
本発明の固体撮像素子１０は、図１に示すように、撮影画像の１画面を形成する撮像面１８および水平転送路１６を含み、撮像面１８は、複数の各画素に対応する受光部１２および垂直転送路１４を備えている。固体撮像素子１０では、被写界からの入射光が、たとえば外部の光学系レンズにより集光して撮像面１８に結像される。固体撮像素子１０は、たとえば、電荷結合素子（Ｃｈａｒｇｅ Ｃｏｕｐｌｅｄ Ｄｅｖｉｃｅ ：ＣＣＤ）や金属酸化膜型半導体（Ｍｅｔａｌ Ｏｘｉｄｅ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ ：ＭＯＳ）等のいずれのイメージセンサでもよい。
【００１７】
受光部１２は、入射光を受光して各画素に対応する画像信号を出力する。図２に示すように、受光部１２は、主感光部２２、従感光部２４および遮光部材２６を含んで形成される。受光部１２の形状は、四角形型に限らない多角形型でよく、また円形でもよい。また、各受光部は、撮像面１８において、行および列方向に配列される。さらに、図１に示すように、受光部１２は、三原色のカラーフィルタＲ、Ｇ、またはＢのいずれか一つを有し、これらによって入射光の赤、緑または青を選択的に透過する。
【００１８】
本実施例では、図１に示すように、受光部１２は、撮像面１８において、行方向および列方向に１つおきに位置をずらして配列する、ハニカム配列を用いているが、行方向および列方向にそれぞれ一定ピッチで正方行列的に配列してもよい。また、このハニカム配列を用いるとき、カラーフィルタの配置パターンは、色Ｇが正方格子状に配され、さらに色Ｇを挟んで対角位置に同色Ｒ，またはＢが配される完全市松に配する、ハニカム型Ｇ正方格子ＲＢ完全市松パターンでよい。撮像面１８では、実際には多数の画素が配列されるが、図１および図２においては、複雑化を避けるため、少数の画素配列しか図示しない。
【００１９】
撮像面１８は、入射光の入射する側に遮光部材２６で覆われている。その中で、受光部１２は、透過光を照射するために、遮光部材２６によって形成された貫通口、すなわち開口部を介して入射光を受光している。本実施例では、図２に示すように、各受光部１２において、主感光部２２および従感光部２４を照射する開口部を有している。開口部は、その開口している全領域を光感応領域にしている。したがって、その開口面積により光感応領域が異なるため、同一の光量を面積の異なる開口部に照射した場合、光電変換効率に違いが生じる。
【００２０】
主感光部２２は、１画素において開口部が大きく、すなわち開口率が大きい、高感度の感光部であり、一方、従感光部２４は、開口部が小さく、すなわち開口率が小さい、低感度の感光部である。これらの感光部は、入射光を受光した際に、光を受光光量に応じた電気信号に光電変換する光センサであり、たとえば、フォトダイオードが用いられる。各受光部１２において、従感光部２４は、主感光部２２に対して一方の側に設置されている。
【００２１】
垂直転送路（ＶＣＣＤ）１４は、各受光部を垂直方向にジグザグ状に縫うようにして設置している。垂直転送路１４は、電荷結合素子で、遮光部材２６で覆われている領域内に主感光部２２および従感光部２４の形状に応じて隣接形成されている。垂直転送路１４では、各感光部が生成した信号電荷は、外部からの制御信号、たとえば垂直駆動パルスに従って、順次垂直方向に、すなわち水平転送路（ＨＣＣＤ）１６に転送される。垂直転送路１４は、たとえば、図２に示すように、第１層目のポリシリコン層（１Ｐｏｌｙ）２８および第２層目のポリシリコン層（２Ｐｏｌｙ）３０からなる２層のポリシリコン電極で構成して、第１層目のポリシリコン層によって主感光部２２で得られる信号電荷を転送し、第２層目のポリシリコン層によって従感光部２４で得られる信号電荷を転送するようにしてもよい。水平転送路１６では、信号電荷は、外部からの制御信号、たとえば水平駆動パルスに従って、水平方向に、すなわち出力側に転送される。
【００２２】
また、撮像面１８において、各受光部１２ごとに光学系の一部をなすマイクロレンズ５２を備えている。このマイクロレンズ５２は、撮像面１８への入射光を各画素ごとに効率よく集光して受光部１２の開口部に入射するものである。この集光によって、受光部１２の開口率は実質的に向上する。マイクロレンズ５２は、受光部１２を覆うようにして、通常では、その光学中心を受光部１２の開口部の中心に合わせて設置されるが、本実施例では、撮像面１８の周縁部に位置する受光部１２においては、図６に示すように、その光学中心を従感光部２４の側に寄せて設置されている。
【００２３】
固体撮像素子１０は、たとえばディジタルスチルカメラなどの固体撮像装置に適用されて、入射光による被写界像を撮像面１８に結像する。この固体撮像装置では、図３に示すように、入射光を光学系レンズ３４により集光して撮像面１８に照射するとよい。
【００２４】
このとき、撮像面１８では、入射光は、画素ごとに画像信号が得られるように、マイクロレンズ５２によってさらに集光され、各画素に対応する受光部１２に入射する。入射光は、受光部１２においてカラーフィルタＲ、ＧまたはＢを透過して、主感光部２２および従感光部２４に入射し、これらの感光部において、光電変換により各色の信号電荷が生成される。
【００２５】
本実施例では、図６に示すように、マイクロレンズ５２の光学中心を従感光部２４の側に寄せて設置している。このため、従感光部２４が主感光部２２の同図における上方に設置されていると、特に撮像面１８の下側では、図１１に示すように、斜めに入射する入射光６０４がマイクロレンズ５２によって効率よく集光され、主感光部の開口部６２だけでなく従感光部の開口部６４においても、集光されて入射する光束が増加する。このとき、撮像面１８の中心部付近および上側では、マイクロレンズ５２の光学中心を受光部１２の開口部の中心にほとんど合わせても各感光部２２および２４の集光率は高いので、マイクロレンズ５２を寄せる量は少なくてよい。
【００２６】
このように、本発明の固体撮像素子１０は、撮像面１８の各受光部１２において、従感光部２４が主感光部２２に対して一方の側に設置されているとき、マイクロレンズ５２の光学中心を従感光部２４の側に寄せて設置することによって、各感光部２２および２４の集光率を向上させている。このとき、受光部１２の画素位置が撮像面１８の中心部から周縁部に近づくほどマイクロレンズ５２を寄せる距離を長くして設置してもよい。また、受光部１２が撮像面１８の中心部付近にあるとき、または受光部１２において、従感光部２４が主感光部２２に対して撮像面１８の周縁部側に設置されているときには、マイクロレンズ５２を寄せる量は少なくてよい。このように、特に集光率の低下しやすい位置にある受光部１２において、マイクロレンズ５２が撮像面１８の中心寄りにずらして設置され、集光率を向上させている。
【００２７】
さらに、マイクロレンズ５２を寄せる際に、マイクロレンズ５２の光学中心を従感光部２４の中心に合わせて設置してもよい。また、各受光部１２において、主感光部２２を撮像面１８の中心部に近い側に、また従感光部２４を撮像面１８の中心部から遠い側に配置して、たとえば従感光部２４を主感光部２２に対して左右上下のいずれかの位置に配置してもよい。
【００２８】
たとえば、この撮像面１８の平面における上側では、従感光部２４を主感光部２２の下方に、また撮像面１８の下側では、従感光部２４を主感光部２２の上方に配置すると、マイクロレンズ５２および従感光部２４が撮像面１８の中心に対して上下に均等に配置され、撮像面１８の上側と下側とで集光率に差が生じるのを防ぐことができる。他方、各受光部１２において、従感光部２４を主感光部２２に対して撮像面１８の周縁部側に配置すると、マイクロレンズ５２および従感光部２４が撮像面１８の中心に対して同心状に配置され、撮像面１８の全面において集光率を向上させることができる。
【００２９】
また、他の実施例として、固体撮像素子１０は、撮像面１８の周縁部に位置する受光部１２において、マイクロレンズ５２を撮像面１８の中心方向にずらして設置し、これによって、撮像面１８の周縁部に発生する感度低下およびシェーディングを低減する。
【００３０】
たとえば、図７に示すように、撮像面１８の中心部付近の受光部１２では、マイクロレンズ５２をほとんどずらさずに設置し、撮像面１８の周縁部の受光部１２では、マイクロレンズ５２を矢印 ７０２の方向に、すなわちマイクロレンズ５２の中心を受光部１２の開口部の中心から撮像面１８の中心方向にずらして設置する。これによって、たとえば、撮像面１８の平面における上側および下側の受光部１２では、それぞれ図１２および図１３に示すように、斜めの入射光６０４をマイクロレンズ５２により都合よく集光し、主感光部の開口部６２、および従感光部の開口部６４に効率よく入射して、集光率を向上することができる。
【００３１】
このとき、各受光部１２において、従感光部２４が主感光部２２の上方に設置されるときには、このマイクロレンズ５２は、撮像面１８の下側に位置する受光部１２では、上側に位置する受光部１２よりも、大きくずらして設置してもよい。図７では、矢印の長さがこのずらし量を概念的に示している。これによって、撮像面１８の上側と下側とで集光率に差が生じるのを防ぐことができる。
【００３２】
また、受光部１２が撮像面１８の中心部から周縁部に近づくほど、マイクロレンズ５２を大きくずらすように設置してもよい。これによって、斜めの入射光６０４が各受光部１２に与える影響の大きさに応じて、集光率を向上させ、撮像面１８の全面において、各受光部１２の受光光量を均一にすることができる。
【００３３】
このように、各受光部１２に備えられているマイクロレンズ５２をずらして設置することにより、有利には、マイクロレンズ５２の中心を従感光部２４の側に寄せて、またはマイクロレンズ５２を撮像面１８の中心方向にずらして設置することにより、特に撮像面１８の周縁部において、主感光部２２だけでなく従感光部１８においても、このマイクロレンズ５２により入射光を都合よく集光し、十分な受光光量を得ることができる。また、これによって各感光部２２および２４の感度低下、ならびに撮影した画像に発生するシェーディングを低減することができる。
【００３４】
【発明の効果】
このように本発明によれば、固体撮像素子は、その撮像面に、感度の異なる複数の感光部で形成した受光部を画素として配列してダイナミックレンジを拡大する場合に、その受光部の中心からマイクロレンズの光学中心をずらして設置することにより、各受光部におけるマイクロレンズの集光率を向上させることができる。有利には、マイクロレンズの中心を従感光部の側に寄せて、またはマイクロレンズを撮像面の中心方向にずらして設置することにより、主感光部だけでなく従感光部においても十分な受光光量を得ることができる。これによって、特に従感光部の感度の低下およびばらつきを低減することができる。さらには、撮影した画像、特にその周縁部において発生するシェーディングを低減することができる。
【００３５】
また、本発明による固体撮像素子は、マイクロレンズの設置によりシェーディングを補正しているため、固体撮像装置などに適用する際、補正回路などの処理部を省き、簡単な構成にすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る固体撮像素子における撮像面の概略的な構成を示す平面図である。
【図２】図１に示す固体撮像素子の撮像面において、その一部を入射光の側から見た平面図である。
【図３】図１に示す固体撮像素子の撮像面において、光学系レンズが備えられた構成を示す説明的断面図である。
【図４】従来の固体撮像素子の撮像面において、受光部の開口部付近に出現する錯乱円を表した平面図である。
【図５】マイクロレンズを備えた従来の固体撮像素子において、その撮像面の一部を入射光の側から見た平面図である。
【図６】マイクロレンズを備えた本実施例の固体撮像素子において、その撮像面の一部を入射光の側から見た平面図である。
【図７】固体撮像素子の撮像面において、各受光部のマイクロレンズをずらす方向および量を表した平面図である。
【図８】従来の固体撮像素子の撮像面において、入射光が垂直に入射するとき、マイクロレンズが備えられた受光部の説明的断面図である。
【図９】従来の固体撮像素子の撮像面の上側において、マイクロレンズが備えられた受光部の説明的断面図である。
【図１０】従来の固体撮像素子の撮像面の下側において、マイクロレンズが備えられた受光部の説明的断面図である。
【図１１】図１の固体撮像素子の撮像面の下側において、マイクロレンズの中心を従感光部の側に寄せて備えられた受光部の説明的断面図である。
【図１２】固体撮像素子の撮像面の上側において、撮像面の中心方向にマイクロレンズをずらして備えられた受光部の説明的断面図である。
【図１３】固体撮像素子の撮像面の下側において、撮像面の中心方向にマイクロレンズをずらして備えられた受光部の説明的断面図である。
【符号の説明】
１０ 固体撮像素子
１２ 受光部
１４ 垂直転送部
１６ 水平転送部
１８ 撮像面

Claims (6)

1. 被写界からの入射光を結像する撮像面を含み、
   該撮像面は、行および列方向に配列され該撮像面を形成する各画素に対応する複数の受光部、および該複数の受光部のそれぞれに備えられて入射光を集光するマイクロレンズを含み、
   前記複数の受光部のそれぞれは、第１の感度を有し、前記入射光を光電変換する第１の感光部と、第１の感度より低い第２の感度を有し、前記入射光を光電変換する第２の感光部とを含む固体撮像素子において、
   前記マイクロレンズは、その光学中心を前記受光部の中心から前記撮像面の中心寄りにずらして設置されていることを特徴とする固体撮像素子。
2. 請求項１に記載の固体撮像素子において、前記複数の受光部は、前記撮像面において行方向および列方向に一定ピッチで正方行列的に配列されていることを特徴とする固体撮像素子。
3. 請求項１に記載の固体撮像素子において、前記複数の受光部は、前記撮像面において行方向および列方向に１つおきに位置をずらして配列されていることを特徴とする固体撮像素子。
4. 請求項１ないし３のいずれかに記載の固体撮像素子において、第２の感光部は、第１の感光部に対して一方の側に設置され、
   第２の感光部が第１の感光部に対して前記撮像面の中心部側に位置する受光部について、前記マイクロレンズは、その光学中心を前記受光部の第２の感光部の側に寄せて設置されていることを特徴とする固体撮像素子。
5. 請求項４に記載の固体撮像素子において、前記マイクロレンズをずらす距離は、前記撮像面の中心部から周縁部に近づくほど長いことを特徴とする固体撮像素子。
6. 請求項４または５に記載の固体撮像素子において、前記複数の受光部のそれぞれにおいて、第１の感光部は前記撮像面の中心部側に近く、また第２の感光部は撮像面の周縁部側に近く配置されることを特徴とする固体撮像素子。

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