JP2000125310A

JP2000125310A - 固体撮像装置

Info

Publication number: JP2000125310A
Application number: JP10289051A
Authority: JP
Inventors: Kazuya Oda; 和也小田; Takashi Misawa; 岳志三沢
Original assignee: Fuji Photo Film Co Ltd
Current assignee: Fujifilm Holdings Corp
Priority date: 1998-10-12
Filing date: 1998-10-12
Publication date: 2000-04-28

Abstract

(57)【要約】【課題】煩わしいメカニカル的なフィルタ切換や色S/
N の問題を生じることなく、色バランスの良好な画像を
供給できる固体撮像装置の提供。【解決手段】固体撮像装置10は、カラーフィルタ14を
介すことによって生じる受光素子16a の各色毎に異なる
光電変換効率に応じて受光素子16a の前面に位置するマ
イクロレンズ12の形状、すなわち曲率r(R)> r(B)> r(G)
の順に調整することにより、各色の感度バランスの比率
を、たとえば、S(R):S(G):S(B)=1:1:1にして各色毎のS/
N 比も均一にすることができるようになる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、被写界からの入射
光を三原色RGB に色分解して得られた光を撮像手段で光
電変換しカラー画像を提供する固体撮像装置に関し、特
に、たとえば電荷結合素子を２次元配列した撮像手段を
含む固体撮像装置に適用して好適なものである。

【０００２】

【従来の技術】従来から固体撮像装置の受光素子が、カ
ラー撮像する場合、カラーフィルタを透過させた、被写
界からの入射光を受光して光電変換を行っている。この
場合、どのように被写体の色再現がされるかが問題にな
る。この色再現には、被写体に当てる光や照明の種類等
が重要な要素として関わっている。これらに対する要素
は、一般に色温度で表される。

【０００３】ところで、カラー撮像する場合、固体撮像
装置は、忠実に３色（RGB ）に色分解して色を再現して
いる。このため、屋外の太陽光の下で撮像する場合と室
内の白色ランプの照明下では、当然色バランスが特に考
慮されていないので、色バランスが変わってくる。実際
に、たとえば、通常5000K 〜6000K の色温度の入射光が
入射させ、固体撮像装置に電荷結合素子（CCD ）が用い
られた場合、色バランスは、得られる各色RGB 毎の撮像
信号において、レベル比がR:G:B=0.7:1:0.8 という関係
にあることが知られている。このように、色バランスが
異なっているので、後段の信号処理部で白バランスをと
るとき、この撮像信号の各色RGB 毎にレベル比をR:G:B=
1:1:1 になるようにゲイン調整が行われる。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上述し
たゲイン調整によって特定の色のノイズ成分が強調され
ることになる。この色毎にS/N 比の異なる画像は、色S/
N の悪い画像になってしまうという問題が生じる。カラ
ー撮影の度に色温度に合わせて色の補正が必要になる。
この問題に対して光学的に色の補正を行う場合、カラー
フィルタの濃度を調整した各種の色温度変換フィルタが
用いられる。この色温度変換フィルタは、撮像レンズの
前にはめ込むタイプや撮像レンズと色分解フィルタの間
に内蔵されていてターレットを回転させて所望の特性を
選択するタイプがある。しかしながら、これらの方法
は、メカニカルに色温度変換フィルタを変える煩わしさ
がある。

【０００５】本発明はこのような従来技術の欠点を解消
し、煩わしいメカニカル的なフィルタ切換や色S/N の問
題を生じることなく、色バランスの良好な画像を供給で
きる固体撮像装置を提供することを目的とする。

【０００６】

【課題を解決するための手段】本発明は上述の課題を解
決するために、入射光に応じた電気信号を生成する複数
の受光素子が２次元に配列された撮像手段と、前記複数
の受光素子のそれぞれに対応して分解色に応じて配列さ
れた色分解フィルタセグメントを有し、この色フィルタ
セグメントのそれぞれは、被写界からの入射光を各分解
色の内のいずれかの色の入射光に分解して複数の受光素
子のそれぞれに入射させる色分解フィルタと、受光素子
の入射光の側に配設され、受光素子の分解色のそれぞれ
の光電変換効率に応じた形状を有する導光部材とを含む
ことを特徴とする。

【０００７】ここで、導光部材は、前記受光素子の感度
が最も低い分解色での前記入射光を最も多くする形状に
し、他の各分解色の感度が高くなるにつれて前記入射光
の照射量を少なくする形状にすることが好ましい。たと
えば、原色信号に色分解する場合、受光素子の感度に応
じて色R での入射光が最も多く得られる形状にし、色B,
Gの順に前記入射光の照射量を少なくする形状にすると
よい。これにより、得られる各RGB 信号はバランスを均
一にできる。

【０００８】また、導光部材は、色分解フィルタの入射
光の側に受光素子に対応して入射光を集光する集光手段
であって、集光手段の形状を分解色の入射光に対するそ
れぞれの受光素子の感度に応じて形成された集光手段を
用いることが望ましい。これから、受光素子への入射光
量が分解色毎に調整されるので、結果的に、感度制御が
行われる。

【０００９】さらに、導光部材は、撮像手段を遮光する
とともに、前記受光素子の受光領域だけ開口させた遮光
部材を用い、遮光部材は、受光素子の感度が最も低い分
解色での前記受光領域の開口率を最大にし、他の各分解
色の感度が高くなるにつれて開口率を小さくすると有利
である。たとえば、原色信号に色分解する場合、受光素
子の感度に応じて受光領域の開口率を色R で最も大きく
して入射光の光量を通常の光量よりも多くし、色B, Gの
順に光量を少なくするとよい。これにより、上述したよ
うに入射光の光量が色毎に調整されるので、感度制御が
行われる。

【００１０】集光手段の形状は、集光手段の集光面の曲
率または集光手段を透過する入射断面積の大きさで規定
するとよい。

【００１１】ところで、受光素子は、受光素子の幾何学
的な形状の中心を行方向および列方向にピッチの半分ず
らして配置されている、いわゆるハニカム配置に適用し
てもよい。

【００１２】本発明の固体撮像装置は、色分解フィルタ
セグメントにおける各色分解フィルタを介すことによっ
て生じる受光素子の各色毎に異なる光電変換効率に応じ
て導光部材の形状が考慮された導光部材を形成し、この
導光部材を受光素子の前面に配することにより、各色の
感度バランスの比率を、たとえば、S(R):S(G):S(B)=1:
1:1にして各色毎のS/N 比も均一にすることができるよ
うにしている。

【００１３】

【発明の実施の形態】次に添付図面を参照して本発明に
よる固体撮像装置の実施例を詳細に説明する。

【００１４】本発明の固体撮像装置は、撮像部（受光素
子の前面）に配置される、たとえば、オンチップレンズ
としてのマイクロレンズや遮蔽部材等の形状を色分解フ
ィルタを介した色に応じて異なる受光素子の感度に逆比
例した入射光量が受光されるように異ならせることによ
り、色毎の感度を均一なものにすることに特徴がある。

【００１５】固体撮像装置10には、光学系の一部をなす
マイクロレンズ12、カラーフィルタ14、撮像部16の他に
カラー信号処理部（図示せず）が備えられている。カラ
ー信号処理部には、ガンマ変換部、A/D 変換部、信号処
理部が含まれている。本実施例は、本発明の特徴を含む
撮像部16とその周辺の部材について説明する。なお、固
体撮像装置10は、撮像部16の受光素子が、たとえば、電
荷結合素子（CCD ）や金属酸化型半導体（MOS ）等のい
ずれのイメージセンサでもよい。

【００１６】マイクロレンズ12は、光学系を透過してき
た入射光を各受光素子に効率よく供給するように集光す
る素子毎に配設されたレンズである。マイクロレンズ12
は、図１(a) に示す破断線A-A に沿った断面（図１(b)
を参照）で示されるように透明部材18の表面18a 上に設
ける。マイクロレンズ12は、本実施例において、日中で
の撮影の色温度（5000K 〜6000K ）やストロボ撮影に用
いられるタングステン（W ）ライトの色温度（6000K ）
という最も撮影頻度の高い色温度でRGB 毎に得られる信
号の感度比S がそれぞれ0.7, 1, 0.8 にあることから、
感度比S の大きさ（S(G)>S(B)>S(R)）と逆にレンズの曲
率r （r(R)>r(B)>r(G)）を順に小さくするように形成す
る（図１(b) を参照）。このレンズの曲率関係は、大き
な曲率のレンズほど大型のレンズを形成することにな
る。すなわち、図２に示すように色R のマイクロレンズ
12が最も大きく形成され、色G のマイクロレンズ12が最
も小さい。このレンズは、従来から行われている方法と
同様にレンズ部材20を配し、このレンズ部材20に加熱処
理を施して透明部材18の表面18a 上に形成される。

【００１７】カラーフィルタ14は、たとえば、三原色RG
B に色分解をするフィルタが各受光素子に対応して２次
元配列されている。図１(a) のカラーフィルタ14はRGB
縦ストライプのパターンの場合を示している。各受光素
子に対応するカラーフィルタは、すべて同一の大きさに
してある（図１(b) を参照）。なお、図１(a) の平面図
には、図面の煩雑さを避けるためマイクロレンズ12は図
示していない。

【００１８】撮像部16は、２次元配列した受光素子16a
がカラーフィルタ14の直下に配設形成されている。この
場合、各受光素子16a は、遮光部材17の開口部17a に対
応して配設されている。この場合、図１(b) の開口部17
a は、色に限定されることなく、すべて同じ開口面積に
なっている。この開口部17a の領域以外は、すべて遮光
されている。したがって、遮光部材17は、各受光素子16
a からの信号電荷を垂直転送路16d に転送させる転送ゲ
ート16a 、転送ゲート16a および垂直転送路16d にタイ
ミング信号（駆動信号）を供給する電極部16c ならびに
垂直転送路16dをすべて遮光している。遮光部材17は、
アルミニウム等の材質が用いられている。

【００１９】このように構成することにより、撮像部16
の受光素子16a に、たとえば、同一の光量がマイクロレ
ンズ12を介して供給された場合、受光素子16a は、マイ
クロレンズ12により供給される光量を調節できるので、
カラーフィルタ12の色の違いによって生じていた信号電
荷の差をなくすことができる。均一の信号電荷を発生さ
せた各受光素子16a は、電極部16c からの駆動信号に応
じて信号電荷を転送ゲート16b を介して垂直転送路16d
に出力する。垂直転送路16d は、電極部16c からの駆動
信号に応じて信号電荷を図１(a) に示す水平転送路16e
に送る。水平転送路16e は、駆動信号に応じて信号電荷
をカラー信号処理部に供給する。カラー信号処理部での
色毎の信号処理に差がないならば、本来、受光素子16a
で得られた信号電荷に差がないので、得られるRGB の信
号は、均一な色バランスのとれた信号になる。このた
め、得られたRGB 信号は、これまで行われてきたように
色毎の差に応じて信号増幅したりする必要がなくなる。
これにより、色バランスをとるために生じていた色S/N
比の低下を起こす虞れを完全になくすことができる。

【００２０】なお、上述した実施例において、マイクロ
レンズ12の形状は、曲率r で規定されることを例示した
が、この形状は曲率r だけに限定されるものでなく、マ
イクロレンズ12の入射光が透過する断面積の大きさで規
定してもよい。

【００２１】また、固体撮像装置10の他の実施例につい
て説明する。共通する部分には、同じ参照符号を付し、
説明を省略する。本実施例では、マイクロレンズ12は、
同じ大きさに形成する。このため、同一の光量が入射し
た場合、各受光素子16a には、図３に示すように同じ幅
の光束が供給されるのもかかわらず、前述したように受
光素子16a に達する光の強度が色によって異なる。した
がって、色毎に得られる信号電荷に差が生じる。この受
光素子16a の色毎にカラーフィルタ12を介しても同一の
信号電荷を発生させるように遮光部材17の開口部17a の
大きさを調整する。開口部17a の大きさは、開口面積A
あるいは開口率Apで表すことができる。

【００２２】この開口部17a の大きさは、前述したと同
様に最も撮影頻度の高い色温度でRGB 毎に得られる信号
の感度比S がそれぞれ0.7, 1, 0.8 にあることから、感
度比の大きさ（S(G)>S(B)>S(R)）と逆に開口面積（A(R)
>A(B)>A(G)）を順に小さくするように形成する。このよ
うにマイクロレンズ12の大きさを同一にした場合に図１
(a) の撮像部16と同じ破断線A-A で切った断面を図３に
示す。この断面では、直接的に開口面積A の大きさを示
すことはできないが、各色に対応して開口部17a の一辺
の長さL で表すと、長さL はL(R)>L(B)>L(G)）を順に短
くなっていることが判る。このように開口部17a の大き
さを調整することによっても、前述したマイクロレンズ
12の曲率を調整して形成した場合と同様に感度比の差を
なくすように光電変換が行われるようになる。このよう
に同じ光量が均一に照射された場合、発生する信号電荷
が色によって異なることがなくなるので、電気的に信号
処理によって色バランスを調整する必要がなくなる。こ
れまで問題となっていた色S/N の差がなくなるから、こ
のようにして得られた画像をバランスのよい画像にして
提供することができる。

【００２３】前述した実施例は、カラーフィルタ14と受
光素子16a が対応して正方配置している場合について説
明したが、本発明はこの配置に限定されるものでなく、
受光素子16a の幾何学的な形状の中心を行方向および列
方向にピッチの半分ずらして配置されている、いわゆる
ハニカム配置においても適用することができる（図４を
参照）。図４に示すように、マイクロレンズ12の大きさ
を調整することにより受光素子16a を高感度受光素子と
低感度受光素子にすることができる。このとき、カラー
フィルタ14（図示せず）による光量の低下を考慮して高
感度受光素子と低感度受光素子を配置するとよい。具体
的には、たとえば、色R, Bに対応する位置に高感度受光
素子を配し、色G にに対応する位置に低感度受光素子を
配するとよい。また、このハニカム配置においても受光
素子16a の開口率Apを色毎の感度に応じて変えてもよ
い。得られた信号電荷は、それぞれ高感度受光素子と低
感度受光素子の横位置に受光素子16a の配置を妨げない
ように蛇行した高感度受光素子用と低感度受光素子用の
垂直転送路16H, 16Lを介して読み出される。このように
信号電荷を読み出すことにより、ハニカム配置の撮像部
16から得られた画像を色バランスのよい画像にして提供
することができる。

【００２４】以上のように構成することにより、受光素
子の前面に配する部材の形状を調整して色毎に異なる感
度比のばらつきを改善し、この結果、色バランスを均一
化させることができるようになる。この均一な色バラン
スが部材の形状等によって得られることにより、最も頻
度の高い色温度におけるバランス調整で行っていたゲイ
ン調整を不要にすることができる。さらに、得られた信
号の色バランスが取れているので、色毎のゲイン調整に
よって生じていた色S/N 比のばらつきもなくすことがで
きるようになり、画質のよい画像を提供できるようにな
る。

【００２５】なお、前述した実施例は、いずれも原色の
色分解フィルタの中で三原色RGB を用いた場合について
説明したが、本発明は、前述した実施例に限定されるも
のでなく、たとえば、補色等の色分解フィルタでも同様
に各色分解フィルタに伴って受光素子の異なる光電効率
に応じて導光部材の形状を異ならせることにより、実際
に得られる各色毎の電気信号のレベルを同じにして色バ
ランスの差をなくすようにすることができる。

【００２６】

【発明の効果】このように本発明によれば、色分解フィ
ルタセグメントにおける各色分解フィルタを介すことに
よって生じる受光素子の各色毎に異なる光電変換効率に
応じて導光部材の形状が考慮された導光部材を形成し、
この導光部材を受光素子の前面に配することにより、各
色の感度バランスの比率を均一にすることができるよう
になるので、ゲインを補正しても補正結果が色毎に差の
ない、色毎のバランスが同じ信号を供給することができ
る。また、これにより、撮影に際しての色変換フィルタ
の装着等の煩雑な操作を行うこともなく、色S/N 比の良
好な画像を容易に得ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る固体撮像装置の撮像部に適用され
たマイクロレンズの配置およびその形状を説明する模式
図である。

【図２】図１のマイクロレンズに着目して撮像部を上部
から見たマイクロレンズを模式的に示す平面図である。

【図３】図１の撮像部を破断線A-A に沿って切断した際
の撮像部を模式的に示す断面図である。

【図４】図１のマイクロレンズをハニカム配置の撮像部
に適用した際の配置関係を模式的に示す平面図である。

【符号の説明】

10 固体撮像装置 12 マイクロレンズ 14 カラーフィルタ 16 撮像部 17 遮光部材 18 透明部材 20 レンズ部材 16a 受光素子 16b 転送ゲート 16c 電極部 16d 垂直転送路

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続きＦターム(参考） 5C024 AA01 DA01 EA04 EA08 FA01 GA11 GA31 5C065 AA01 AA03 BB01 CC01 DD01 EE05 EE06 EE11

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】入射光に応じた電気信号を生成する複数
の受光素子が２次元に配列された撮像手段と、前記複数の受光素子のそれぞれに対応して分解色に応じ
て配列された色分解フィルタセグメントを有し、該色フ
ィルタセグメントのそれぞれは、被写界からの入射光を
各分解色の内のいずれかの色の入射光に分解して前記複
数の受光素子のそれぞれに入射させる色分解フィルタ
と、前記受光素子の入射光の側に配設され、前記受光素子の
分解色のそれぞれの光電変換効率に応じた形状を有する
導光部材とを含むことを特徴とする固体撮像装置。
【請求項２】請求項１に記載の装置において、前記導
光部材は、前記受光素子の感度が最も低い分解色での前
記入射光を最も多くする形状にし、他の各分解色の感度
が高くなるにつれて前記入射光の照射量を少なくする形
状にすることを特徴とする固体撮像装置。
【請求項３】請求項１に記載の装置において、前記導
光部材は、前記色分解フィルタの入射光の側に前記受光
素子に対応して前記入射光を集光する集光手段であっ
て、前記集光手段の形状を前記分解色の入射光に対するそれ
ぞれの受光素子の感度に応じて形成された集光手段を用
いることを特徴とする固体撮像装置。
【請求項４】請求項１に記載の装置において、前記導
光部材は、前記撮像手段を遮光するとともに、前記受光
素子の受光領域だけ開口させた遮光部材を用い、前記遮光部材は、前記受光素子の感度が最も低い分解色
での前記受光領域の開口率を最大にし、他の各分解色の
感度が高くなるにつれて開口率を小さくすることを特徴
とする固体撮像装置。
【請求項５】請求項３に記載の装置において、前記集
光手段の形状は、前記集光手段の集光面の曲率または前
記集光手段を透過する入射断面積の大きさで規定するこ
とを特徴とする固体撮像装置。
【請求項６】請求項１に記載の装置において、前記受
光素子は、前記受光素子の幾何学的な形状の中心を行方
向および列方向にピッチの半分ずらして配置されている
ことを特徴とする固体撮像装置。