JP4356311B2 - 固体撮像装置 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、受光面に入射した光に応じて信号電荷を生成する受光領域を有する複数の画素が2次元に配置された固体撮像装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
従来より、複数の画素が2次元に配置された固体撮像装置は、様々な用途に使用されている。
このような固体撮像装置には、ナイキスト周波数の折り返しによって発生するエイリアシングや複数のカラーフィルタを持つ撮像素子の場合に目立つ偽色を低減するため、所定の空間周波数成分を除去するOLPF(Optical Low Pass Filter:光学ローパスフィルタ)を設けたものがある。
【0003】
さらに、矩形状の画素を有する固体撮像装置として、本発明者が発明した特許文献1が知られている。
【特許文献1】
特開2000−23171号公報
【0004】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、OLPFを設けた従来の固体撮像装置では、OLPFを設けていない固体撮像装置と比べ、鮮鋭度が著しく低下してしまうという問題が発生していた。
【0005】
また、電子カメラなど画像処理を伴う装置に使用される固体撮像装置では、複数の画素が2次元状に配置されており、入射光を複数方向に対して均等にぼかすには、複数枚のOLPFを設ける必要がある。例えば、入射光を縦方向と横方向とに対して均等にぼかして正方形状のアパーチャを実現するには、入射光を縦方向にぼかすOLPFと、入射光を横方向にぼかすOLPFとが必要となる。
【0006】
そのため、従来の固体撮像装置では、複数枚のOLPFを設けることによって、コストアップが生じたり、光路中の界面が増えてフレアが増加したり、OLPF全体の厚みが増して光学系の収差特性が劣化したり、スペースが増加するなどの問題が発生していた。
【0007】
そこで、本発明では、偽色の低減と鮮鋭度の低下防止とをバランス良く行うことができ、かつ、入射光をぼかす(多重化も含む)光学部材の数を最小限に抑えることができる固体撮像装置を提供することを目的とする。
【0008】
また、本発明の別の目的は、上記固体撮像装置(具体的には、画素アスペクト比「2:1」程度の極端な矩形状をなす画素を備えた固体撮像装置)において、各画素の受光特性を高めるための技術を提供することである。
【0009】
【課題を解決するための手段】
請求項1に記載の固体撮像装置は、受光面に入射した光に応じて信号電荷を生成する矩形の受光領域を個別に有し、該受光領域の短辺方向に対しては該受光領域の長辺方向の画素ピッチの1/2ずつオフセットされて2次元に配置された複数の画素と、その複数の画素のオフセットされた配置の形態に合わせて前記短辺方向にジグザグ状に、かつ、受光領域毎に設けられ、信号電荷のCCD転送路への読み出しを制御するパルス信号が供給されるCCD電極と、CCD電極にパルス信号を供給することにより信号電荷を走査して外部に読み出す走査手段と、複数の画素の受光面側に設けられ、該受光面に入射される光を短辺方向に画素ピッチ分ぼかす一枚の光学部材とを備える。これらの受光領域は、アスペクト比が「2:1」に近似される矩形である。また、複数の画素は、受光面の1つの方向に配置される画素群毎に分離され、信号電荷を受光面の1つの方向に順次転送し、走査手段は、複数の画素を受光面の1つの方向に直交する方向に配置される画素群毎に駆動し、フレーム転送方式で信号電荷を走査することを特徴とする。
【0012】
【発明の実施の形態】
以下、図面に基づいて、本発明の実施形態について詳細を説明する。
ただし、以下では、本発明の固体撮像装置の一例として、フレーム転送形のモノクロの固体撮像装置を用いて説明を行う。
【0013】
《第1の実施形態の説明》
図1は、第1の実施形態に対応する固体撮像装置の概略構成を示す図である。図1において、固体撮像装置1は、開口部がガラス基板11によって塞がれた筐体12と、ガラス基板11に積層されたOLPF13と、受光面がガラス基板11に対向されるように筐体12に内設された撮像チップ14とから構成される。
【0014】
また、図1において、撮像チップ14には、複数の画素141が2次元に配置されている。各々の画素141は、長辺方向と短辺方向との長さの比が「2:1」に近似される矩形であり、短辺方向に対しては、長辺方向の画素ピッチの1/2ずつオフセットされてジグザグに配置され、長辺方向に対しては、ほぼ一直線上に配置されている。
【0015】
OLPF13は、画素141の短辺方向に対し、入射光を短辺方向の画素ピッチ分ぼかす。
その結果、各々の画素141の等価なアパーチャは、図2に示すように、画素141の短辺方向に拡大して正方形状となり、短辺方向に隣接する画素141間では相互に重なることになる。ただし、図2では、短辺方向を基準とし、奇数番目に配置されている画素141のアパーチャを実線で示し、偶数番目に配置されている画素141のアパーチャを点線で示している。
【0016】
また、各々の画素141に対するサンプル点は、図3のようになる。
ところで、固体撮像装置1がフレーム転送形の固体撮像装置の場合は、各々の画素141の大部分を、受光領域(入射光に応じた信号電荷を生成する領域)が占めることになる。
【0017】
図4は、第1の実施形態における受光領域の構成を示す図である。
図4において、各々の受光領域142(点線で囲んで示した)は、図1に示した画素141と同様に、長辺方向と短辺方向との長さの比が「2:1」に近似される矩形(厳密には短辺方向の長さはチャンネルストップ中央から隣のチャンネルストップ中央までの長さ)であり、短辺方向に対しては、長辺方向の画素ピッチの1/2ずつオフセットされてジグザグに配置され、長辺方向に対しては、ほぼ一直線上に配置されている。
【0018】
また、図4では、受光面の垂直転送方向(受光領域の長辺方向に相当する)に配置された受光領域142の列(画素群)毎にチャンネルストップ143が設けられ、受光面の水平転送方向(受光領域の短辺方向に相当する)に沿ってジグザグに配置された受光領域142(画素群)毎に2相の透明電極144が設けられている。このような透明電極144には、信号電荷の転送用のパルス信号φ1A,φ2Aが供給される。
【0019】
図4のような構成によれば、チャンネルストップ143によって複数の受光領域142が受光面の垂直転送方向に配列される列毎に分離され、共通の透明電極144が設けられた受光領域142で生成される信号電荷を受光面の垂直転送方向に同時に転送することができる。したがって、既存のフレーム転送形の固体撮像装置と同様に、不図示の蓄積部および水平読み出し部を介して、フレーム転送方式による信号電荷の走査が可能である。
【0020】
以上説明したように、第1の実施形態では、受光領域142(画素141とほぼ一致)の短辺方向に対し、入射光を短辺方向の画素ピッチ分ぼかす単一のOLPF13を備えるだけで、図2に示すような等価なアパーチャが得られる。したがって、鮮鋭度の低下を最小限に抑えつつ、ナイキスト周波数の折り返しによる偽色を低減することができると共に、入射光をぼかす光学部材を複数設けることによって発生していた従来の問題(コストアップ、フレアの増加、光学系の収差特性の劣化、スペースの増加など)を回避することができる。
【0021】
また、第1の実施形態では、透明電極144の形状を図4のようにジグザグにすることによって、図1の画素配置(交互列で1/2オフセット)を実現している。
【0022】
なお、第1の実施形態では、図4に示すように、各々の受光領域142の長辺方向が受光面の垂直転送方向に一致するように、受光領域142(第1の実施形態では画素141とほぼ一致)を配置した例を示したが、図5のように、長辺方向が受光面の水平転送方向に一致するように、受光領域142が配置されても良い。
【0023】
ただし、受光領域142を図5のように配置する場合、フレーム転送方式による信号電荷の走査を実現するためには、チャンネルストップ143を、受光面の垂直転送方向(受光領域の短辺方向に相当する)に沿ってジグザグに配置された受光領域142の列毎に設け、透明電極144を、受光面の水平転送方向(受光領域の長辺方向に相当する)に配置された受光領域142(点線で囲んだ領域)毎に共通に設ける必要がある。2相で転送する場合は、各受光領域毎に2相の電極が割り当てられる。
【0024】
また、受光領域142を図5のように配置する場合、画素141の短辺方向が受光面の垂直転送方向と一致することになるので、入射光を画素141の短辺方向に対してぼかすためには、OLPF13による入射光のぼかし方向を受光面の垂直転送方向に変更する必要がある。
【0025】
《第2の実施形態の説明》
図6は、第2の実施形態に対応する固体撮像装置の概略構成を示す図である。
図6において、固体撮像装置2は、図1に示した第1の実施形態に対応する固体撮像装置1と同様に、開口部がガラス基板21によって塞がれた筐体22と、ガラス基板21に積層されたOLPF23と、受光面がガラス基板21に対向されるように筐体22に内設された撮像チップ24とから構成される。
【0026】
また、図6において、撮像チップ24には、複数の画素241が2次元に配置されている。各々の画素241は、長辺方向と短辺方向との長さの比が「2:1」に近似される矩形であり、短辺方向に対しては、長辺方向の画素ピッチの1/2ずつオフセットされてジグザグに配置され、長辺方向に対しては、ほぼ一直線上に配置されている。
【0027】
ただし、図6では、図1と異なり、各々の画素241は、受光面の水平転送方向および垂直転送方向に対して45度傾いている。
OLPF23は、画素241の短辺方向に対し、入射光を短辺方向の画素ピッチ分ぼかす。
その結果、各々の画素241のアパーチャは、図7に示すように、画素241の短辺方向に拡大して正方形状となり、短辺方向に隣接する画素241間では相互に重なることになる。
【0028】
また、各々の画素241に対するサンプル点は、図8のようになる。
図9は、第2の実施形態における受光領域の構成を示す図である。
図9において、各々の受光領域242(点線で囲まれた領域)は、図6に示した画素241と同様に、長辺方向と短辺方向との長さの比が「2:1」に近似される矩形であり、短辺方向に対しては、長辺方向の画素ピッチの1/2ずつオフセットされてジグザグに配置され、長辺方向に対しては、ほぼ一直線上に配置されている。
【0029】
ただし、図9では、受光面の垂直転送方向に沿ってジグザグに配置された受光領域242の列(画素群)毎にチャンネルストップ243が設けられ、2相駆動の場合は受光面の水平転送方向に沿ってジグザグに配置された受光領域242(画素群)毎に2相の透明電極244が設けられている。このような透明電極244には、信号電荷の転送用のパルス信号φ1A,φ2Aが供給される。
【0030】
図9のような構成によれば、チャンネルストップ243によって複数の受光領域242が受光面の垂直転送方向に沿ってジグザグに配列される列毎に分離され、共通の透明電極244が設けられた受光領域242(受光面の水平転送方向に沿ってジグザグに配列されている受光領域242に相当する)で生成される信号電荷を受光面の垂直転送方向に同時に転送することができる。したがって、既存のフレーム転送形の固体撮像装置と同様に、不図示の蓄積部および水平読み出し部を介して、フレーム転送方式による信号電荷の走査が可能である。
【0031】
以上説明したように、第2実施形態では、受光領域242の短辺方向に対し、入射光を短辺方向の画素ピッチ分ぼかす単一のOLPF23を備えるだけで、図7に示すようなアパーチャが得られる。したがって、第1の実施形態と同様に、鮮鋭度の低下を最小限に抑えつつ、ナイキスト周波数の折り返しによるエイリアシングを低減することができると共に、入射光をぼかす光学部材を複数設けることによって発生していた従来の問題を回避することができる。
【0032】
また、第2の実施形態では、各々の受光領域242の形状や配置が既存のフレーム転送形の固体撮像装置と異なっていても、チャンネルストップ243や透明電極244の形状を図9のようにジグザグにすることによって、フレーム転送方式による信号電荷の走査を容易に実現することができる。
さらに、第2の実施形態では、各々の画素241に対するサンプル点は、図8に示すように、正方格子状のサンプル点となる。
【0033】
また、上述した各実施形態では、本発明の固体撮像装置の一例としてフレーム転送形の固体撮像装置について説明した。このようなフレーム転送方式の採用により、画素アスペクト比が「2:1」程度の極端な矩形画素でありながらも、その矩形画素の殆どを有効受光領域として使用することが可能になる。その結果、画素アスペクト比の極端な矩形形状の画素を採用しながらも、受光効率に優れた固体撮像装置を実現できる。
【0034】
なお、本発明は、このようなフレーム転送方式に限定されるものではない。例えば、インタライン転送方式を採用することも可能である。ただし、上記構成をインタライン転送形式で実現する場合、受光領域の画素アスペクト比が極端な値であるため、開口率の低下による感度劣化などの問題が生じやすい。
従来、このインタライン転送方式の受光効率を高める場合、画素単位にマイクロレンズを設けることがよく行われる。しかしながら、本発明の固体撮像装置は、画素アスペクト比が「2:1」と極端であるため、適切なマイクロレンズの設計が非常に難しい。
【0035】
例えば、辺の長さが「2:1」程度の画素形状に合わせてマイクロレンズを形成する場合、図10(1)に示すような楕円形のマイクロレンズが考えられる。しかしながら、長方形の受光部の上に楕円形のレンズをマイクロレンズとして用いると、集光特性が長辺方向と短辺方向とで異なってしまい、ぼけが丸くならないなどの問題が生じる。
【0036】
このような問題を回避するため、図10(2)に示すように、マイクロレンズを画素(受光領域)の長辺方向に2つ配置することが好ましい。このように矩形状の受光領域に対して複眼式のマイクロレンズを設けることにより、画素アスペクト比の極端な矩形形状の画素でありながらも、各画素の集光特性はほぼ等方的になる。
【0037】
さらに、複数のマイクロレンズの境界領域に遮光部を設けることにより、いびつな方向からの光を遮ることが可能になり、矩形画素の集光特性の等方性を一段と高めることが可能になる。
【0038】
さらに、図10(2)では、複眼式のマイクロレンズの下に共通の蓄積部を設ける。そのため、複眼式のマイクロレンズの入射光によって生成される信号電荷を、矩形画素の単位にまとめて蓄積して加算することができる。その結果、画素加算のためのシーケンス動作を省いて、固体撮像装置の転送シーケンスを単純化することが容易になる。
【0039】
また、上述した各実施形態に対応する固体撮像装置1,2では、OLPF13,23が設けられているが、OLPFとしては、例えば、回折格子のように、受光面に入射される光を受光領域の短辺方向にぼかすことができる光学部材であれば、如何なる光学部材を設けても良い。
【0040】
さらに、上述した各実施形態に対応する固体撮像装置1,2では、ガラス基板11,21によって筐体12,22の開口部を塞いでいるが、ガラス基板11,21を設けずに、OLPF13,23によって筐体12,22の開口部を塞ぐ構成にしても良い。
【0041】
また、上述した各実施形態では、カラーフィルタを設けていないモノクロの固体撮像装置について説明したが、本発明は、複数のカラーフィルタを有するカラーの固体撮像装置にも同様に適用することができ、エイリアシングによって発生する偽色を低減することができる。
例えば、第1の実施形態に対応する固体撮像装置1において、R,G,Bの3色のカラーフィルタを、図11(1)のような配列(Gのカラーフィルタが配された列とR,Bのカラーフィルタが交互に配された列とがストライプを成す配列)で各々の画素141に対応付けると、アパーチャは、図11(2)のようになる。
【0042】
このようなアパーチャは、二板式の固体撮像装置(Gのカラーフィルタのみが設けられた撮像素子と、R,Bのカラーフィルタが市松模様状に設けられた撮像素子とを有する固体撮像装置)において、2枚の撮像素子を1/2画素ピッチずらした場合のアパーチャと等価であり、カラーの固体撮像装置に有効である。
【0043】
なお、各々の画素に設けるカラーフィルタは、R,G,Bの3色に限らず、Ye,Mg,Cy,Gの4色など如何なる色種であっても良く、カラーフィルタの配列は、図11(1)のような配列に限られるものではない。
【0044】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の固体撮像装置によれば、入射光をぼかす(多重化する場合も含む)光学部材の数を1つにしても、ナイキスト周波数の折り返しによって発生するエイリアシングによる欠陥を適当に抑圧し、かつ、鮮鋭度の低下を最小限に抑えることができる。カラー撮像素子の場合では、偽色の低減と鮮鋭度の低下防止とをバランス良く行うことができる。また、入射光をぼかす光学部材を複数設けることによって発生していた従来の問題(コストアップ、フレアの増加、光学系の収差特性の劣化、スペースの増加など)を回避することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】第1の実施形態に対応する固体撮像装置の概略構成を示す図である。
【図2】第1の実施形態におけるアパーチャの状態を示す図である。
【図3】第1の実施形態におけるサンプル点を示す図である。
【図4】第1の実施形態における受光領域の構成を示す図である。
【図5】第1の実施形態における受光領域の他の構成を示す図である。
【図6】第2の実施形態に対応する固体撮像装置の概略構成を示す図である。
【図7】第2の実施形態におけるアパーチャを示す図である。
【図8】第2の実施形態におけるサンプル点を示す図である。
【図9】第2の実施形態における受光領域の構成を示す図である。
【図10】マイクロレンズを設けた場合の画素の構成例を示す図である。
【図11】カラーフィルタを設けた場合のアパーチャの状態を示す図である。
【符号の説明】
1、2 固体撮像装置
11、21 ガラス基板
12、22 筐体
13、23 OLPF
14、24 撮像チップ
141、241 画素
142、242 受光領域
143、243 チャンネルストップ
144、244 透明電極
Claims (1)
- 受光面に入射した光に応じて信号電荷を生成する矩形の受光領域を個別に有し、該受光領域の短辺方向に対しては該受光領域の長辺方向の画素ピッチの1/2ずつオフセットされて2次元に配置された複数の画素と、
前記複数の画素の前記オフセットされた配置の形態に合わせて前記短辺方向にジグザグ状に、かつ、前記受光領域毎に設けられ、前記信号電荷のCCD転送路への読み出しを制御するパルス信号が供給されるCCD電極と、
前記CCD電極に前記パルス信号を供給することにより前記信号電荷を走査して外部に読み出す走査手段と、
前記複数の画素の前記受光面側に設けられ、該受光面に入射される光を前記短辺方向に画素ピッチ分ぼかす一枚の光学部材とを備え、
前記受光領域は、アスペクト比が「2:1」に近似される矩形であり、
前記複数の画素は、前記受光面の1つの方向に配置される画素群毎に分離され、前記信号電荷を該受光面の1つの方向に順次転送し、
前記走査手段は、前記複数の画素を、前記受光面の1つの方向に直交する方向に配置される画素群毎に駆動し、フレーム転送方式で前記信号電荷を走査する
ことを特徴とする固体撮像装置。
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