CN103828354A - 彩色摄像装置 - Google Patents

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    • H04N25/134—Arrangement of colour filter arrays [CFA]; Filter mosaics characterised by the spectral characteristics of the filter elements based on three different wavelength filter elements

Abstract

提供一种彩色摄像装置，抑制生成伪色且不会复杂化计算。该彩色摄像装置（10）具有从第一组到第四组的四个像素组（21-24）。第一像素组（21）是3×3构造的9个独立像素（11），每一像素具有单个拜耳图案滤色器（15R）、（15G）和（15B）。第二像素组（22）与第一像素组（21）的底部相邻，第三像素组（23）与第二像素组（22）的右方相邻，以及第四像素组（24）与第三像素组（23）的上方相邻。以分别从第一像素组（21）的滤色器排列逆时针旋转90°、180°和270°，排列第二（22）、第三（23）和第四（24）像素组的滤色器排列图案。成像面（16）由作为标准单位构成所有像素组（21-24）的6×6像素（11）的区域组成。

Description

彩色摄像装置
技术领域
本发明涉及单板式彩色摄像装置。
背景技术
已知一种单板式彩色摄像装置，其中，根据预定图案，将红、绿和蓝滤色器设置在多个像素上（见专利文献1）。在单板式彩色摄像装置中，在逐个像素的基础上，使信号经受算术处理。每一像素的信号用其附近的其他像素的色彩信息来补充，以便弥补缺少的色彩信息和获得全色图像。
在根据专利文献1的彩色摄像装置中，以格子状排列正方形像素。以拜耳图案在像素上提供滤色器。
在拜耳图案中，如图19的左上所示，在2×2的正方格子中排列的四个像素中，在逐个的基础上，将绿色滤色器200G指定到两个对角像素，以及将红色滤色器200R和蓝色滤色器200B指定到剩余两个像素，以便组成阵列图案的基本单位202。通过根据像素的位置，顺序地排列基本单位202，在正方格子中形成适合用在彩色摄像装置中的成像面。注意，在本申请的附图中，“R”表示红色滤色器。“G”表示绿色滤色器。“B”表示蓝色滤色器。
在根据专利文献1的彩色摄像装置中，每一像素具有微透镜。此外，随着从成像面的中央到周边的距离增加，红色滤色器上提供的微透镜的直径也增加。这是为了防止由与彩色摄像装置一起使用的红外截止滤光器引起的色差现象。对于具有大入射角的斜入射光，使用多层干涉薄膜的红外截止滤光器使透射波长带向短波长侧偏移。由此，斜入射光的截止波长带延伸到可见光范围的红色区域，因此减少红色信号。该现象易于出现在具有大入射角的成像面的周边中。结果是，在成像面的周边中，图像变得相对带蓝色。这导致彩色摄像装置的图像质量的恶化。
因此，如在专利文献1中所述，在成像面的周边中，具有红色滤色器的像素的微透镜的直径增加，以便增加入射光量和增强相对像素感度。排除由于红外截止滤色器导致的红色信号的减少在每一颜色的信号之间提供良好平衡，并且防止由红外截止滤色器引起的色差现象的出现。专利文献1的彩色摄像装置以这种方式提高图像质量。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本专利No.4006255
发明内容
如图19所示，在拜耳图案中，在以交替方式垂直地排列绿色滤色器200G和红色滤色器200R的行204中，以及在以交替的方式水平地排列绿色滤色器200G和红色滤色器200R的行205中，没有蓝色滤色器200B。同样地，在以交替方式垂直地排列绿色滤色器200G和蓝色滤色器200B的行206中，以及在以交替方式水平地排列绿色滤色器200G和蓝色滤色器200B的行207中，没有红色滤色器200R。
在斜排列仅绿色滤色器200G的行208中，没有红色滤色器200R，也没有蓝色滤色器200B。在以交替方式斜排列红色滤色器200R和蓝色滤色器200B的行209中，没有绿色滤色器200G。
在拜耳图案中，如上所述，像素的行204至209的每一个具有不存在的颜色。为此，拜耳图案具有作为实际上不存在的错误颜色的伪色易于在具有被摄体的高空间频率的部分和颜色的边缘部分中产生的问题。该问题由在像素上提供的滤色器的阵列图案引起，因此，不能通过调整微透镜的直径等等来解决。
为防止出现伪色，像素的垂直、水平和斜行的每一个必须包括每一颜色的滤色器。然而，除非滤色器的阵列图案有规律性，否则颜色信息的算法处理变得复杂并且要求大量时间来产生图像。因此，在彩色摄像装置中，与拜耳图案相比，期望能防止出现伪色的滤色器的另一阵列图案，而不复杂化算法处理。
本发明的目的是提供与拜耳图案相比，具有防止出现伪色的滤色器的阵列图案，并且不复杂化算法处理的彩色摄像装置。
根据本发明的彩色摄像装置具有多个四种像素组，即，第一至第四像素组。第一至第四像素组的每一个具有N×N的像素的阵列（N取3或以上的整数），以及每一像素设有红色滤色器、绿色滤色器和蓝色滤色器中的一个。在同一成像面中排列第一至第四像素组，使得第二像素组与第一像素组的底部相邻，第三像素组与第二像素组的右方相邻，以及第四像素组与第三像素组的上方相邻。第二至第四像素组具有分别在一个方向中使第一像素组的阵列图案旋转90度、180度和270度的滤色器的阵列图案。在由彼此相邻的第一至第四像素组组成的2N×2N的像素区域和拜耳图案中的2N×2N的另一像素区域之间，在逐个颜色基础上，红色、绿色和蓝色滤色器之间的数量比不同。具有数量比低于拜耳图案中的数量比的滤色器的像素，被设置为比具有数量比高于拜耳图案中的数量比的滤色器的像素感光。
每一像素最好包括光电转换元件和微透镜。光电转换元件将入射光转换成电荷并且累积电荷。在光入射面侧上，以凸形曲面形状形成微透镜，微透镜将光聚集到光电转换元件。微透镜基本上采用平面内四个圆角的方形的形状，以及具有在像素的排列间距内的大小。与包含数量比高的滤色器的像素所具有的微透镜的角的曲率半径相比，包含数量比低的滤色器的像素具有的微透镜具有的角最好具有更短的曲率半径。这允许增加设有数量比低的滤色器的像素的感度。
可以以基本上平面中直径在像素的排列间距内的圆形形状形成微透镜。在这种情况下，与包含数量比高的滤色器的像素所具有的微透镜的直径相比，包含数量比低的滤色器的像素具有的微透镜的直径更大。通过热处理，融化以棱柱或圆柱形状形成的光刻胶，形成具有如上形状的微透镜。
可以基本上以从光入射面侧看的平面内圆形的形状形成微透镜。在加大具有数量比低的滤色器的像素的微透镜的直径中，可以使直径大于像素的排列间距。在这种情况下，微透镜采用诸如沿像素间的边界部分地切割的形状。通过以根据每个微透镜的形状的图案，使用具有光密度的梯度的梯度掩模，形成这种微透镜。
注意，可以基本上以平面内的圆形形状，形成具有数量比高的滤色器的像素的微透镜，以及基本上以具有四个圆角的方形形状，形成具有数量比低的滤色器的像素的微透镜。在这种情况下，方形微透镜在大小上大于圆形微透镜，以及具有方形微透镜的像素的感度变高。并且，关于在透射入射光的遮光膜中形成的开口，使具有数量比低的滤色器的像素的开口大，以便增加像素的感度。
假定N≥2M（M取2或以上的整数），最好将N×N的像素的阵列划分成四个小组，每一小组具有M×M的像素的阵列。正如第一至第四像素组的图案，在四个小组中，优选使M×M的像素的红色、绿色和蓝色滤色器的阵列图案在一个方向中旋转每90度。并且，可以以使方形相对于基本矩形的成像面的水平方向和垂直方向旋转基本上45度形成的菱形形状，形成像素的每一个，以及可以在45度的斜向中排列像素。
令N为“3”，以及2N×2N（="36"）的像素区域包括8个红色滤色器、20个绿色滤色器和8个蓝色滤色器，红色滤色器和绿色滤色器之间的数量比优选为“2.5”，以及蓝色滤色器和绿色滤色器之间的数量比优选为“2.5”。
令N为“5”，以及2N×2N（="100"）的像素区域包括24个红色滤色器、52个绿色滤色器和24个蓝色滤色器，以及红色滤色器和绿色滤色器之间的数量比优选为“2.17”，以及蓝色滤色器和绿色滤色器之间的数量比优选为“2.17”。
发明效果
根据本发明，成像面由第一至第四像素组组成。在第一像素组中，以预定图案排列红色、绿色和蓝色滤色器。在与第一像素组的底部相邻的第二像素组中，以在一个方向中使第一像素组的阵列图案旋转90度的图案，排列滤色器。在与第二像素组的右方相邻的第三像素组中，以在同一方向中使第一像素组的阵列图案旋转180度的图案，排列滤色器。在与第三像素组的上方相邻的第四像素组中，以在同一方向中使第一像素组的阵列图案旋转270度的图案，排列滤色器。由此，整个像素区域的垂直、水平和斜行的每一个包括每一颜色的滤色器，因此，可以防止伪色出现。并且，由于滤色器的阵列图案的规律性，本发明不会导致算法处理的复杂化。
附图说明
图1是示出彩色摄像装置的成像面的结构的说明图；
图2是滤色器的阵列图案的说明图；
图3是示出每一像素组的滤色器的阵列图案的概念的说明图；
图4是在各个像素上提供的微透镜的说明图；
图5是在形成棱柱和圆柱光刻胶的状态的说明图；
图6是通过融化光刻胶形成微透镜的状态的说明图；
图7是改变微透镜的直径的例子的说明图；
图8是红色像素和蓝色像素的微透镜的直径大于像素的排列间距的例子的说明图；
图9A是梯度掩模的说明图；
图9B是沿图9A中的线A-A的截面图；
图10是形成有微透镜的状态的说明图；
图11是绿色像素具有圆形微透镜以及红色像素和蓝色像素具有近似方形微透镜的例子的说明图；
图12是遮光膜的开口具有可变大小的例子的说明图；
图13是像素组由2×2的像素组成的例子的说明图；
图14是像素组由4×4的像素组成的例子的说明图；
图15是像素组由4×4的像素组成，以及每一像素组进一步划分成每个具有2×2的像素的小组的例子的说明图；
图16是像素组由5×5像素组成的例子的说明图；
图17是像素组由5×5像素组成，以及每一像素组进一步划分成每个具有2×2的像素的小组的例子的说明图；
图18是成像面由旋转45度并且在45度的斜向中排列的方形像素的阵列组成的例子的说明图；以及
图19是传统拜耳图案的说明图。
具体实施方式
第一实施例
在图1中，彩色摄像装置10设有多个像素11，每个以近似方形的形状形成，如实线所绘制。像素11以格子状排列并且组成近似方形的成像面16来成像被摄体。彩色摄像装置10，例如CCD图像传感器、CMOS图像传感器等等具有包含像素11的方形格子状阵列的公知的结构。彩色摄像装置10可以由有机膜制成。
每一像素11具有光电二极管（在下文中，简称PD）12、遮光膜13、微透镜14和滤色器15。PD12是将入射光转换成电荷并且累积电荷的光电转换元件。在PD12上提供遮光膜13。遮光膜13形成有开口13a。通过微透镜14的入射光经开口13a到达PD12。遮光膜13防止光进入除PD12外的区域。
微透镜14是凸向光入射面侧的部分球面形状，以及将光聚集到PD12中。注意，在其光入射面中，代替部分球面，微透镜可以是非球面的。设置于PD12和微透镜14之间的滤色器15透射由微透镜14聚集到PD12的光中的、特定波长带的光。
如图2所示，滤色器15包括用于透射红色光的红色滤色器15R、用于透射绿色光的绿色滤色器15G、以及用于透射蓝色光的蓝色滤色器15B。
每一像素11具有红色滤色器15R、绿色滤色器15G和蓝色滤色器15B中的一个。在成像面16中，以预定图案排列红色、绿色和蓝色滤色器15R、15G和15B。根据滤色器15R、15G和15B的阵列图案，像素11被划分成四组，即，第一像素组21、第二像素组22、第三像素组23和第四像素组24。
第一像素组21由3×3的9个像素11组成。在第一像素组21中，以拜耳图案排列滤色器15R、15G和15B。第一像素组21在其中心具有设有绿色滤色器15G的像素11。
第二像素组22由3×3的9个像素11组成，正如第一像素组21。第二像素组22在成像面16中与第一像素组21的底部相邻。第一像素组21的“底部”表示在从光入射面侧看的成像面16的平面图中，沿成像面16的平面的方向。注意，其他图也以该方向表示，除图9B和10外。
如图2和3所示，以使第一像素组21的阵列图案逆时针旋转90度的图案，在第二像素组22中排列滤色器15R、15G和15B。在图3中，为方便理解第二像素组22的滤色器15的阵列图案对应于旋转第一像素组21的滤色器15的阵列，一同旋转表示滤色器的字母“R”、“G”和“B”。
第三像素组23由3×3的9个像素11组成，并且在成像面16中与第二像素组22的右方相邻。以使第一像素组21的阵列图案逆时针旋转180度的图案，在第三像素组23中排列滤色器15R、15G和15B。
第四像素组24由3×3的9个像素11组成，并且在成像面16中与第三像素组23的上方相邻。以使第一像素组21的阵列图案逆时针旋转270度的图案，在第四像素组24中排列滤色器15R、15G和15B。
如上所述，在彩色摄像装置10中，使第一像素组21的作为拜耳图案的阵列图案旋转每90度来组成第二像素组22、第三像素组23和第四像素组24。排列第一至第四像素组21至24构成成像面16。
如上所述，成像面16的红、绿和蓝色滤色器15R、15G和15B的阵列图案基于由3×3的9个像素组成的第一像素组21的拜耳图案。通过使拜耳图案相对于右下角25a逆时针旋转90度、180度和270度，分别获得第二像素组22、第三像素组23和第四像素组24的阵列图案。然后，组合第一至第四像素组21至24，以便旋转中心在第一像素组21的右下角25a重合，而在第一至第四像素组21至24之间没有重叠。
还可以说成，成像面16的红、绿和蓝色滤色器15R、15G和15B的阵列图案基于由3×3的9个像素组成的第一像素组21的拜耳图案。通过使拜耳图案逆时针旋转90度、180度和270度，使得使作为第一像素组21的右边的线段25b移动到上边、左边和下边，分别获得第二像素组22、第三像素组23和第四像素组24的阵列图案。然后，组合第一至第四像素组21至24，使得移动到上边的第二像素组22的线段25b与第一像素组21的下边重合，移动到右边的第三像素组23的线段25b与第二像素组22的右边重合，以及移动到下边的第四像素组24的线段25b与第三像素组23的上边重合。
注意，每一图示出了由作为一个第一像素组21、一个第二像素组22、一个第三像素组23和一个第四像素组24的组合的6×6的36个像素11组成的成像面16。然而，实际上，成像面16由以格子状排列的36个像素11组成的、基本单位的排列的重复组成，通常具有五百万或以上的总像素数。
如图19所示，在拜耳图案中，在交替排列绿色滤色器200G和红色滤色器200R的行204和205中没有蓝色滤色器200B。在交替排列绿色滤色器200G和蓝色滤色器200B的行206和207中，没有红色滤色器200R。
因此，如在“拜耳图案”行的下表1中所示，在拜耳图案的垂直和水平行204至207中，每一行包括具有绿色滤色器200G的像素，但相反，没有行同时具有红色滤色器200R和蓝色滤色器200B。因此，含有具备绿色滤色器200G的像素的垂直和水平行的比率是100%。含有具备红色滤色器200R的像素和具备蓝色滤色器200B的像素的垂直和水平行的比率是0%，因为不存在这种行
表1
Figure BDA0000482387710000091
另一方面，如图2所示，在作为彩色摄像装置10的基本单位的6×6的区域中，垂直6行和水平6行中的每一行包含具有绿色滤色器15G的像素11（在下文中，称为绿色像素）、具有红色滤色器15R的像素11（在下文中，称为红色像素）、以及具有蓝色滤色器15B的像素（在下文中，称为蓝色像素）。因此，如表1所示，在垂直和水平方向（上下和左右方向）中延伸的彩色摄像装置10的行中，具有绿色像素的行的比率为100%，以及同时具有红色像素和蓝色像素的行的比率是100%。
在拜耳图案中，在斜向中交替地排列两种行，即，仅具有绿色滤色器200G的行208和具有交替排列的红色滤色器200R和蓝色滤色器200B的行209。因此，关于拜耳图案的斜行，具有绿色像素的行的比率是50%，以及同时具有红色像素和蓝色像素的行的比率是50%。
在彩色摄像装置100中，另一方面，在成像面16中的斜向中，排列仅具有绿色像素的行26和各自交替地排列红色像素、绿色像素和蓝色像素的两行27和28。因此，如表1所示，关于彩色摄像装置10的斜行，具有绿色像素的行的比率是100%，以及同时具有红色像素和蓝色像素的行的比率是67%。注意，斜行26至28从左下上升到右上，但与斜行26至28对称并且从左上降到右下的其他斜行具有相同的结构。
如上所述，根据彩色摄像装置10的阵列图案，成像面16的垂直、水平和斜行的每一个以高于在拜耳图案中的比率包括每一颜色的滤色器15R、15G和15B。因此，与拜耳图案的情形相比，彩色摄像装置10能在算法处理中更适当地获得每一行的色彩信息，并且防止出现伪色。在彩色摄像装置10中，通过以格子状排列基本单位，每个基本单位包括6×6的像素，来构成成像面16。由于根据基本单位保持阵列图案的周期性，因此，算法处理不复杂。
在上述实施例中，位于基本单位的左上的第一像素组21是拜耳图案的，以及使第一像素组21逆时针旋转每90度来组成其他像素组。然而，其他像素组22至24中的一个可以是拜耳图案，以及使该像素组可以逆时针或顺时针旋转每90度。
第二实施例
如表1所示，拜耳图案包括2×2的基本单位中的一个红色像素、两个绿色像素和一个蓝色像素。因此，绿色像素（G）相对于红色像素（R）的比率G/R是2.0。绿色像素（G）相对于蓝色像素（R）的比率G/B为2.0。
另一方面，彩色摄像装置10的阵列图案包括6×6的基本单位中的8个红色像素、20个绿色像素以及8个蓝色像素。因此，G/R的比率为2.5。G/B的比率为2.5。如果6×6的基本单位是拜耳图案的，那么该基本单位包括9个红色像素、18个绿色像素以及9个蓝色像素。因此，彩色摄像装置10的阵列图案包括比拜耳图案更多数量的绿色像素以及更少数量的红色像素和蓝色像素。注意，由于包括在像素组21至24的每一个的一边中的像素数为“3”，6×6的基本单位对应于2N×2N，将“3”代入权利要求中所述的N。
如上所述，彩色摄像装置10具有比拜耳图案低的红色像素相对于绿色像素的比和低的蓝色像素相对于绿色像素的比。因此，为获得彩色摄像装置10和拜耳图案之间的相同白平衡，彩色摄像装置10必须具有红色像素和蓝色像素的增加的放大率。
然而，如果增加红色像素和蓝色像素的放大率，同时就增加了颜色噪声（伪色），因此减弱防止由阵列图案引起的伪色的效果。更具体地说，如下述数字公式1所示，作为S/N比，使防止伪色的效果降低-2dB的程度。
数学公式1
20log10(2/2.5)＝20(log104/5)
＝20(log10(22/(10/2)))
＝-1.938dB
因此，如在图4的彩色摄像装置40中所示，可以形成大于绿色像素41G的微透镜42G的平面投影面积的、红色像素41R的微透镜42R和蓝色像素41B的微透镜42B的平面投影面积。注意，由于彩色摄像装置40除微透镜42R、42G和42B的形状外，具有与上述实施例的彩色摄像装置10相同的结构，将省略其详细说明。
微透镜42R、42G和42B的每一个具有以凸曲面形状形成的光入射面，并且以平面内具有四个圆角的方形的形状形成。微透镜42R、42G和42B的一个边的长度Dr、Dg和Db约相同。微透镜42R的角的曲率半径Rrc与微透镜42B的角的曲率半径Rbc约相同。曲率半径Rrc和Rbc小于微透镜42G的角的曲率半径Rgc。
在彩色摄像装置40中，如上所述，比微透镜42R和42B的角更圆地形成微透镜42G的角，因此，微透镜42R和42B的平面投影面积（平面中所示的大小）大于微透镜42G的平面投影面积。因此，微透镜42R和42B的聚光效果变得高于微透镜42G，因此，红色像素41R和蓝色像素41B的感度变为高于绿色像素41G。相对于绿色像素41G的感度、红色像素41R和蓝色像素41B的感度越高，增加以获得与如在拜耳图案中相同的白平衡的红色像素和蓝色像素的放大率越小。这导致使色彩噪声保持在低水平内。
为形成微透镜42R、42G和42B，如图5所示，首先在形成有PD12的半导体基板43上，形成至少包含氧化硅膜层的绝缘膜44、遮光膜13和平坦化膜45。然后，根据图2所示的阵列图案，在平坦化膜45上形成滤色器15R、15G和15B。绝缘膜44是防止通常由金属制成的遮光膜13与半导体基板43之间的接触的透明膜。绝缘膜44还保护半导体的表面和降低会导致图像质量恶化的界面状态。
平坦化层45是为形成上面可形成滤色器15的平面的目的，填充由遮光膜13等等引起的半导体基板44中的凸起和凹陷的透明膜。平坦化层45由例如旋涂成平面形成的透明有机膜制成。注意，该结构仅是举例。替代之，可以在绝缘膜44、遮光膜13和平坦化膜45的区域中，形成栅极绝缘膜、栅电极、金属配线、遮光膜和平坦化膜。
在形成滤色器15R、15G和15B后，在其上形成光刻胶膜。使光刻胶膜经受公知的光刻和蚀刻处理。通过将光刻胶按照像素进行区分，形成作为微透镜42R、42G和42B的基底的光刻胶46R、46G和46B。
以近似四角柱形状，形成红色滤色器15R上的光刻胶46R和蓝色滤色器15B上的光刻胶46B。另一方面，以近似圆柱形状，形成绿色滤色器15G上的光刻胶46B。用在光刻工艺中的光掩模中形成的掩模图案的不同，实现光刻胶46R、46G和46B之间的形状的不同。
将热处理应用于光刻胶46R、46G和46B。利用表面张力使光刻胶46R、46G和46B变形使得减小表面积的现象，如图6所示，形成凸曲面形状。
因此，能形成微透镜42R、42G和42B，使得曲率半径Rrc和Rbc小于曲率半径Rgc，以及微透镜42R和42B的平面投影面积大于微透镜42G的平面投影面积。
第三实施例
在彩色摄像装置40中，以近似方形的形状形成微透镜42R、42G和42B的每一个。改变曲率半径Rrc、Rbc和Rgc，使微透镜42R和42B的平面投影面积大于微透镜42G的平面投影面积。然而，如图7的彩色摄像装置50中所示，可以通过改变以近似平面中圆形的形状形成的微透镜的直径，改变平面投影面积。
在彩色摄像装置50中，红色像素51R具有以近似圆形形状形成的微透镜52R。绿色像素51G具有以近似圆形形状形成的微透镜52G。蓝色像素51B具有以近似圆形形状形成的微透镜52B。红色像素51R的微透镜52R和蓝色像素51B的微透镜52B具有与像素的排列间距DP近似相同的直径。另一方面，绿色像素51G的微透镜52G具有稍微小于排列间距DP的直径。
由于微透镜52G的直径小于微透镜52R和52B的直径，如上所述，使微透镜52R和52B的平面投影面积大于微透镜52G的平面投影面积，因此，可以获得与彩色摄像装置40相同的效果。注意，为形成具有排列间距DP或更小的直径的微透镜52R、52G和52B，可以融化以圆柱形状形成的光刻胶，正如彩色摄像装置40的微透镜42R、42G和42B。
第四实施例
在彩色摄像装置50中，微透镜52R、52G和52B的每一个的直径是像素的排列间距DP或更小。然而，如在图8的彩色摄像装置55中所示，可以使红色像素56R的微透镜57R和蓝色像素56B的微透镜57B的直径大于排列间距DP。
在彩色摄像装置55中，以具有稍微小于排列间距DP的直径的圆形的形状形成绿色像素56G的微透镜57G，正如彩色摄像装置50的微透镜52G。
以具有大于排列间距DP的直径的圆形的形状，形成微透镜57R和57B。每一微透镜57R、57B的一部分进入通过使微透镜57G的直径小而空出的绿色像素56G的区域中。微透镜57R和57B在红色像素56R和蓝色像素56B相邻的部分处彼此接触。因此，尽管微透镜57R和57B以近似圆形的形状，以沿红色像素56R和蓝色像素56B之间的界面切掉每一微透镜57R、57B的一部分的形状，形成微透镜57R和57B。设置微透镜57R和57B，使得在这些切面处彼此接触。
使微透镜57R和57B的直径大于排列间距DP，能使得有效使用绿色像素56G的空出区域，进一步增加红色像素56R和蓝色像素56B的感度。
如果通过热处理形成微透镜57R和57B，在融化光刻胶中，在接触部分一体化微透镜57R和57B。热处理不适于精确地形成微透镜57R和57B。
因此，梯度掩模60，如图9A所示，用在形成微透镜57R、57G和57B中。梯度掩模60具有光密度的梯度，以允许根据微透镜57R、57G和57B的形状调整光透射量。
例如，在使用在暴露部分融化的正型光刻胶的情况下，如图9A所示，在逐个微透镜的基础上，形成同心图案。在该同心图案中，光密度在对应于微透镜的中心的部分最高，以便降低光透射量，以及光密度向外逐渐地减小，来增加光透射量。图9A是梯度掩模60的一部分的平面图。图9B是沿线A-A切出的梯度掩模60的截面图（沿通过光密度的梯度中心的直线切出的截面图）。
在使用梯度掩模60的情况下，正如热处理的情形，首先在形成有PD12的半导体基板43上，形成至少包含氧化硅膜层的绝缘膜44、遮光膜13和平坦化膜45，然后其上形成光刻胶膜62。在此之后，设置梯度掩模60来进行曝光。通过梯度掩模60对光刻胶膜62进行曝光。然后，融化并移除光刻胶膜62的曝光部分来获得微透镜57R、57G和57B，如图10所示。
如上所述，使用梯度掩模60，使得可以以每一微透镜57R、57B以沿相邻像素之间的边界线切除其一部分的部分球面的形状和微透镜57R和57B的切面彼此接触的形状，适当地形成微透镜57R和57B。
第五实施例
根据彩色摄像装置40，在逐个像素的基础上，形成每个具有凸曲面光入射面并且采用平面内近似方形的形状的微透镜。根据彩色摄像装置50和55，在逐个像素的基础上，形成每个采用近似平面内圆形的形状的微透镜。如图11的彩色摄像装置65中所示，颜色不同，则微透镜的形状也会不同。在图11中，微透镜67G、67R和67B的每一个具有采用凸形部分球面的形状的光入射面。另一方面，从平面中看，以近似圆形的形状形成绿色像素66G的微透镜67G，以及以近似方形的形状形成红色像素66R的微透镜67R和蓝色像素66B的微透镜67B。
微透镜67G的直径和微透镜67R、67B的边长等于或小于像素的排列间距DP，以及彼此近似相等。因此，微透镜67R和67B的聚光效果变得高于微透镜67G，因此，红色像素66R和蓝色像素66B的感度变得高于绿色像素66G，正如彩色摄像装置40等等的结构。
注意，在图11中，微透镜67R、67B的边长稍微短于排列间距DP。这是为了防止微透镜彼此重叠。然而，在采用使用梯度掩模的制造工艺的情况下，可以使微透镜67R、67B的长度等于排列间距DP，正如微透镜67G的直径。此外，微透镜67R、67B的长度可以长于排列间距DP来增加感度。
第六实施例
在图12所示的彩色摄像装置70中，红色像素71R的遮光膜72（图中阴影）的开口72R的大小和蓝色像素71B的遮光膜72的开口72B的大小，大于绿色像素71G的遮光膜72的开口72G的大小。
如上所述，改变遮光膜72的开口的大小，使得红色像素71R和蓝色像素71B的感度高于绿色像素71G的感度。该实施例带来与改变微透镜的形状来调整红色、绿色和蓝色像素之间的感度的上述实施例相同的效果。注意，不仅可以改变微透镜的形状和遮光膜中的开口的大小中的一个，而且可以改变微透镜的形状和开口的大小两者来调整红色、绿色和蓝色像素之间的感度。
第七实施例
在上述实施例中，每一像素组由3×3的9个像素组成。在图13所示的彩色摄像装置80中，每一像素组由2×2的4个像素组成。彩色摄像装置80具有第一像素组81、第二像素组82、第三像素组83和第四像素组84，与上述实施例一样。
第一像素组81由2×2的4个像素组成，包括按拜耳图案排列的一个红色像素85R、二个绿色像素85G和一个蓝色像素85B。在第二像素组82、第三像素组83和第四像素组84中，像素排列成使采用拜耳图案的第一像素组81旋转每90度。在彩色摄像装置80中，4×4的16个像素，包括第一至第四像素组81至84，构成基本单位。以格子状排列基本单位组成成像面。
在彩色摄像装置80中，如下表2所示，具有绿色像素的垂直和水平行的比率是100%，以及同时具有红色像素和蓝色像素的垂直和水平行的比率是100%。具有绿色像素的斜行的比率是75%。同时具有红色像素和蓝色像素的斜行的比率是75%。
表2
如上所述，根据彩色摄像装置80，红色、绿色和蓝色像素85R、85G和85B以比在拜耳图案中更高的比率包含在垂直、水平和斜行中。由此，将4×4的像素指定为基本单位的彩色摄像装置80的结构能防止出现伪色，而不会复杂化算法处理。
同时，如表2中所示，在彩色摄像装置80的结构中，绿色像素和红色像素之间的比率G/R以及绿色像素和蓝色像素之间的比率G/B与拜耳图案相同。因此，彩色摄像装置80的结构消除了用于如上述实施例中所述，通过改变微透镜的形状或遮光膜中开口的大小来调整红色、绿色和蓝色像素之间的感度的需要。
第八实施例
如图14的彩色摄像装置90中所示，每一像素组91、92、93和94由4×4的16个像素组成。包括在每一像素组91、92、93和94中的红色像素95R、绿色像素95G和蓝色像素95B的结构和排列方法与上述实施例相同，因此，省略其详细描述。
根据彩色摄像装置90，如下表3所示，具有绿色像素的垂直和水平行的比率是100%。同时具有红色像素和蓝色像素的垂直和水平行的比率是100%。具有绿色像素的斜行的比率是100%。同时具有红色像素和蓝色像素的斜行的比率是88%。因此，将8×8的像素指定为基本单位的彩色摄像装置90的结构能获得与上述实施例的效果相同的效果。
表3
Figure BDA0000482387710000181
第九实施例
在图15所示的彩色摄像装置100中，以在2×2的像素阵列的基础上，以进一步旋转由上述第八实施例的4×4的像素组成的每一像素组91、92、93和94的阵列的图案，排列像素（滤色器）。彩色摄像装置100包括第一至第四像素组101、102、103和104，每个由4×4的16个像素组成。
将第一像素组101进一步划分成四个小组101a、101b、101c和101d，每个具有2×2的像素。在小组101a中，如图所示，按拜耳图案排列红色像素105R、绿色像素105G和蓝色像素105B，正如从第八实施例的第一像素组91抽取的2×2像素区域。在小组101b、101c和101d中，以使小组101a逆时针旋转每90度的图案，排列红色、绿色和蓝色像素105R、105G和105B，与上述实施例中所述的阵列图案类似。
将第二像素组102进一步划分成四个小组102a、102b、102c和102d，每个具有2×2的像素。在小组102a中，以与上述第八实施例的彩色摄像装置90的第二像素组92的图案相同的图案，换句话说，以将拜耳图案逆时针旋转90度的图案，排列红色、绿色和蓝色像素105R、105G和105B。在小组102b、102c和102d中，以使小组102a逆时针旋转每90度的图案，排列红色、绿色和蓝色像素105R、105G和105B。
第三像素组103被划分成四个小组103a、103b、103c和103d，每个具有2×2的像素。第四像素组104被划分成四个小组104a、104b、104c和104d，每个具有2×2的像素。在每一小组中，以与第一像素组101和第二像素组102的相同方式，排列红色、绿色和蓝色像素105R、105G和105B。
如下表4中所示，在如此构造的彩色摄像装置100中，具有绿色像素的垂直和水平行的比率是100%。同时具有红色像素和蓝色像素的垂直和水平行的比率是100%。具有绿色像素的斜行的比率是100%。同时具有红色像素和蓝色像素的斜行的比率是88%。
如上所述，根据彩色摄像装置100的结构，红色、绿色和蓝色像素105R、105G和105B以比在拜耳图案中更高的比率包含在垂直、水平和斜行的每一个中。彩色摄像装置100的结构便于弱化红色、绿色和蓝色像素105R、105G和105B的阵列图案的规律性，进一步增强防止伪色出现的效果。
表4
第十实施例
在图16所示的彩色摄像装置110中，每一像素组111、112、113和114由5×5的25个像素组成。包括在每一像素组111、112、113和114中的红色像素115R、绿色像素115G和蓝色像素115B的结构和排列方法与上述实施例相同，因此，省略其详细描述。
根据彩色摄像装置110，如下表5所示，具有绿色像素的垂直和水平行的比率是100%。同时具有红色像素和蓝色像素的垂直和水平行的比率是100%。具有绿色像素的斜行的比率是100%。同时具有红色像素和蓝色像素的斜行的比率是80%。因此，将10×10的像素指定为基本单位的彩色摄像装置110的结构能获得与上述实施例的效果相同的效果。
表5
Figure BDA0000482387710000202
根据彩色摄像装置110，如表5所示，绿色像素相对于红色像素的比率G/R是2.17。绿色像素相对于蓝色像素的比率G/B是2.17。这意味着与拜耳图案的情形相比，包括在基本单位中的绿色像素的比率更高。假定每一像素组由N×N个像素组成，如果N是奇数，则绿色像素的比率变得比在拜耳图案中高，如在上述第一实施例的彩色摄像装置10和该实施例的彩色摄像装置110的情形中。因此，在这种情况下，最好通过改变微透镜的形状、遮光膜中开口的大小等等，来调整红色、绿色和蓝色像素之间的感度。
第十一实施例
此外，在图17所示的彩色摄像装置120中，可以在由上述第十实施例的由5×5的像素组成的每一像素组111、112、113和114中，设置2×2的小组，以及可以按在小组的基础上旋转的图案来排列像素（滤色器）。
彩色摄像装置120包括第一至第四像素组121、122、123和124，每个由5×5的25个像素组成。第一像素组121具有四个小组121a、121b、121c和121d，每个由2×2的像素组成。这些小组121a至121d设置在第一像素组121的左上方。在小组121a至121d的每一个中，以与上述第九实施例的小组的阵列图案相同的图案，排列红色像素125R、绿色像素125G和蓝色像素125B。在除小组121a至121d外的第一像素组121的剩余部分中，以拜耳图案排列红色、绿色和蓝色像素125R、125G和125B，正如左上小组121a。
第二像素组122也具有四个小组122a、122b、122c和122d。第三像素组123也具有四个小组123a、123b、123c和123d。第四像素组124也具有四个小组124a、124b、124c和124d。每一像素组122、123和124的结构与第一像素组121相同，因此，省略其详细描述。
如下表6所示，在具有上述结构的彩色摄像装置120中，具有绿色像素的垂直和水平行的比率是100%。同时具有红色像素和蓝色像素的垂直和水平行的比率是100%。具有绿色像素的斜行的比率是100%。同时具有红色像素和蓝色像素的斜行的比率是80%。
如上所述，根据彩色摄像装置120的结构，红色、绿色和蓝色像素125R、125G和125B以比在拜耳图案中更高的比率包括在垂直、水平和斜行的每一个中，以及适当地弱化红色、绿色和蓝色像素125R、125G和125B的阵列图案的规律性，因此，可以获得与上述第九实施例相同的效果。注意，在上述实施例中，小组设置在像素组121至124的每一个的左上，但在像素组内，可以任意地改变每一小组的位置。
表6
Figure BDA0000482387710000221
在上述实施例中，举例来说，定义像素组的像素数N×N的“N”是2、3、4或5，但N可以是6或以上。在上述实施例中，“N=4和M=2”（第九实施例）和“N=5以及M=2”（第十一实施例）描述为N≥2M成立的情形的实施例，但N和M能取2或以上的任意整数，例如，诸如N为6以及M为3。然而，如果N和M太大，则算法处理变得复杂，因此，N最好设置在5左右。
在上述实施例中，使第一像素组逆时针旋转每90度来组成第二至第四像素组。然而，可以使第一像素组顺时针旋转每90度来组成第二至第四像素组。
此外，除如上所述的方形格子结构的彩色摄像装置外，本发明还适用于图18的彩色摄像装置130。该彩色摄像装置130具有所谓的蜂窝结构，其中，通过使方形相对于近似矩形成像面的水平和垂直方向旋转约45度，以菱形形成红色、绿色和蓝色像素131R、131G和131B，以及在45度的斜向中排列红色、绿色和蓝色像素131R、131G和131B。
在彩色摄像装置130中，以使上述第一实施例的6×6的基本单位阵列顺时针旋转45度的阵列，排列红色、绿色和蓝色像素131R、131G和131B，以便组成具有D边的菱形状的基本单位像素组132。然后，在45度的斜向中排列多个菱形状基本单位像素组132，形成近似矩形的成像面。注意，该结构还能定义为包括以排列间距
Figure BDA0000482387710000231
在水平和垂直方向中排列的基本单位像素组132的像素组和使上述像素组在45度的斜向中移动D的另一像素组的叠加。如上所述的蜂窝结构的彩色摄像装置130能具有与在上述实施例中相同的效果。

Claims (13)

1.一种彩色摄像装置，具有包含像素的阵列的成像面，所述像素的各个具有用于透射红色光的红色滤色器、用于透射绿色光的绿色滤色器以及用于透射蓝色光的蓝色滤色器中的一个，所述彩色摄像装置的特征在于包括：
多个第一像素组，每个第一像素组包括N×N的所述像素的阵列，N取3或以上的整数，并具有以预定图案排列的所述红色、绿色和蓝色滤色器；
多个第二像素组，所述多个第二像素组设置在所述成像面中，使得所述第二像素组的每一个与所述第一像素组的下方相邻，所述第二像素组包括具有以使所述第一像素组的所述图案在一个方向中旋转90度的图案排列的所述红色、绿色和蓝色滤色器的所述像素的阵列；
多个第三像素组，所述多个第三像素组设置在所述成像面中，使得所述第三像素组的每一个与所述第二像素组的右方相邻，所述第三像素组包括具有以使所述第一像素组的所述图案在所述一个方向中旋转180度的图案排列的所述红色、绿色和蓝色滤色器的所述像素的阵列；以及
多个第四像素组，所述多个第四像素组设置在所述成像面中，使得所述第四像素组的每一个与所述第三像素组的上方相邻，所述第四像素组包括具有以使所述第一像素组的所述图案在所述一个方向中旋转270度的图案排列的所述红色、绿色和蓝色滤色器的所述像素的阵列，其中，
在由彼此邻接的所述第一至第四像素组组成的2N×2N的像素区域和采用拜耳图案的2N×2N的另一像素区域之间，在逐个颜色基础上，所述红色、绿色和蓝色滤色器之间的数量比不同，以及
具有数量比低于所述拜耳图案中的所述数量比的所述滤色器的所述像素，比具有数量比高于所述拜耳图案中的所述数量比的所述滤色器的所述像素感度高。
2.根据权利要求1所述的彩色摄像装置，其特征在于：
所述像素的每一个包括光电转换元件和微透镜，其中，
所述光电转换元件将入射光转换成电荷并且累积所述电荷；以及
所述微透镜以凸曲面形状形成在光入射面侧上，并将所述光聚集到所述光电转换元件。
3.根据权利要求2所述的彩色摄像装置，其特征在于：
所述微透镜基本上采用平面内具有圆角的方形的形状，以及具有在所述像素的排列间距内的大小；以及
与包含数量比高的所述滤色器的所述像素所具有的所述微透镜的所述角的曲率半径相比，包含数量比低的所述滤色器的所述像素具有的所述微透镜具有的所述角具备更短曲率半径。
4.根据权利要求2所述的彩色摄像装置，其特征在于：
以基本上平面中直径在所述像素的排列间距内的圆形形状形成所述微透镜；以及
与包含数量比高的所述滤色器的所述像素所具有的所述微透镜的所述直径相比，包含数量比低的所述滤色器的所述像素具有的所述微透镜具有更大直径。
5.根据权利要求3所述的彩色摄像装置，其特征在于：
通过热处理，融化以棱柱或圆柱形状形成的光刻胶，形成所述微透镜。
6.根据权利要求2所述的彩色摄像装置，其特征在于：
基本上以平面中具有比所述像素的排列间距小的直径的圆形的形状，形成具有数量比高的所述滤色器的所述像素的所述微透镜；以及
具有数量比低的所述滤色器的所述像素的所述微透镜，采用沿所述像素之间的边界部分地切除具有比所述像素的所述排列间距大的直径的大致圆形的、平面中的形状。
7.根据权利要求6所述的彩色摄像装置，其特征在于，通过使用具有根据所述微透镜的每一个的形状的图案的、光密度的梯度的梯度掩模，形成所述微透镜。
8.根据权利要求2所述的彩色摄像装置，其特征在于：
基本上以平面内的圆形形状，形成具有数量比高的所述滤色器的所述像素的所述微透镜；以及
基本上以平面内具有圆角的方形形状，形成具有数量比低的所述滤色器的所述像素的所述微透镜，以及所述方形在大小上大于所述圆形。
9.根据权利要求1所述的彩色摄像装置，其特征在于，具有数量比低的所述滤色器的所述像素的遮光膜的开口，在大小上大于具有数量比高的所述滤色器的所述像素的所述遮光膜的开口。
10.根据权利要求1所述的彩色摄像装置，其特征在于：令N≥2M，M取2或以上的整数，将N×N的所述像素的所述阵列划分成四个小组，每一小组具有M×M的所述像素的阵列，正如所述第一至第四像素组的所述图案，在所述四个小组中，使M×M的所述像素的所述红色、绿色和蓝色滤色器的阵列图案在一个方向中旋转每90度。
11.根据权利要求1所述的彩色摄像装置，其特征在于：
以基本上矩形形状形成所述成像面；以及
以使方形相对于所述成像面的水平方向和垂直方向旋转基本上45度形成的菱形形状，形成所述像素的每一个，以及在45度的斜向中排列所述像素。
12.根据权利要求1所述的彩色摄像装置，其特征在于：
所述N为“3”；
2N×2N的所述像素区域以8个红色滤色器、20个绿色滤色器和8个蓝色滤色器的比率，包括所述像素的所述红色、绿色和蓝色滤色器；以及
所述红色滤色器和所述绿色滤色器之间的数量比为“2.5”，以及所述蓝色滤色器和所述绿色滤色器之间的数量比为“2.5”。
13.根据权利要求1所述的彩色摄像装置，其特征在于：
所述N为“5”；
2N×2N的所述像素区域以24个红色滤色器、52个绿色滤色器和24个蓝色滤色器的比率，包括所述像素的所述红色、绿色和蓝色滤色器；以及
所述红色滤色器和所述绿色滤色器之间的数量比为“2.17”，以及所述蓝色滤色器和所述绿色滤色器之间的数量比为“2.17”。
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