JP2006197020A - 固体撮像装置及びカメラ - Google Patents

Abstract

【課題】 多層膜干渉フィルタを備えた固体撮像装置において色シェーディングを解消する。
【解決手段】 １画素分のカラーフィルタは原色ごとに多層膜干渉フィルタがＲ_１とＲ_２やＧ_１とＧ_２のように２つずつ組み合わされてなる。対となる多層膜干渉フィルタのうち一方はスペーサ層２０２のように光学膜厚が厚く、他方はスペーサ層２０５のように光学膜厚が薄くなっている。スペーサ層の光学膜厚が厚い方の多層膜干渉フィルタに入射角０度で光が入射したときの分光特性は、スペーサ層の光学膜厚が厚い方の多層膜干渉フィルタに撮像領域の辺縁部分における入射角度で光が入射したときの分光特性にほぼ等しい。これにより中央部分と辺縁部分との間の色ずれを解消する。その他の領域については撮影領域上の位置に応じて２つの多層膜干渉フィルタを合成することにより得る。
【選択図】 図２

Description

本発明は、固体撮像装置及びカメラに関し、特に、撮像領域上の位置に応じて生じる色むらを解消する技術に関する。

近年、携帯電話機にカメラが搭載されたり、カード型のカメラが開発されるなど、カメラに対する小型化の要請が高まっている。このようなカメラは固体撮像装置とレンズとを備えており、小型化を進めるに連れて固体撮像装置の撮像領域とレンズとの間の距離が小さくなってきている。このため、撮像領域上の位置に応じて光の入射角度が大きく異なってしまう。

一方、固体撮像装置はカラーフィルタを用いて入射光を色分離することによってカラー画像を撮像する。この場合において、撮像領域上の位置に応じて入射角が変化すると、入射光がカラーフィルタを通過する距離が変化する。これに起因して、例えば、有機系のゼラチンや顔料を用いたカラーフィルタでは、撮像領域上の位置によって入射光の吸収量が変化するので、シェーディング補正を施す必要がある。

特に、固体撮像装置を構成する画素ごとに設けられたマイクロレンズの屈折率は入射角度が大きいほど波長依存性が大きくなるので、撮像領域の中央部分と周辺部分とで色ごとの集光率のバランスが異なってしまい、カラーバランスが崩れてしまう。
これに対して、例えば、撮像領域の周辺にシェーディング補正用の光電変換素子を配設し、これらの出力信号を用いてカラーバランスを補正する技術が提案されている（特許文献１）。
特開２００２−１２５１５６号公報

しかしながら、固体撮像装置に対する小型化の要請は高まるばかりであり、かかる要請に応えるべく、上述のようなカラーフィルタに代えて多層膜干渉フィルタを用いたカラーフィルタが提案されている。多層膜干渉フィルタは顔料系のカラーフィルタと異なり経年変化や環境条件に起因する褪色がなく、優れた耐久性を示す。
一方、多層膜干渉フィルタは入射角度によって分光特性が変化する。すなわち、入射角度が小さければ見かけ上の光学膜厚が小さくなるので、より短い波長の光を透過させ、入射角度が大きければ見かけ上の光学膜厚が大きくなるので、より長い波長の光を透過させる。従って、撮像領域上の位置によって分光特性が変化することに起因する色シェーディングを解消する必要がある。

本発明は、上述のような問題に鑑みて為されたものであって、多層膜干渉フィルタを備えた固体撮像装置であって、色シェーディングを補正する固体撮像装置及びそのような固体撮像装置を備えたカメラを提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明に係る固体撮像装置は、画素ごとに分光特性が相違する複数の多層膜干渉フィルタと、前記多層膜干渉フィルタ毎に透過光の光量を検出する検出器と、を備え、撮像領域における画素の位置に応じた係数であって当該画素に係る多層膜干渉フィルタごとの係数Ａ_iと、当該画素に係る多層膜干渉フィルタごとの光量Ｓ_iと用いて、式

ただし、

により色信号Ｄを求めることを特徴とする。

このようにすれば、撮像領域上の位置によって異なる入射角度に起因して生じる色シェーディングを、分光特性が相違する複数の多層膜干渉フィルタを用いることによって適切に補正することができる。
本発明に係る固体撮像装置は、撮像領域上で入射角度が０度で光が入射する位置からの距離が略同じ画素間においては対応する前記係数Ａ_iが同じであることを特徴とする。撮像領域上においては、入射光を結像させるレンズの光軸上では入射角度が０度となり、当該光軸から離れるほど入射角度が大きくなる。従って、光軸からの距離が同じであれば入射角度が略同じであるので、そのような位置にある画素間では係数Ａ_iを同じくすれば色シェーディングを補正することができる。

本発明に係る固体撮像装置は、前記複数の多層膜干渉フィルタは相異なる入射角度で入射する光に対して互いに略同一の分光特性を示すことを特徴とする。このようにすれば、撮像領域上の位置によって光の入射角度が異なっても、ひとつの画素の何れかの多層膜干渉フィルタは他の画素の何れかの多層膜干渉フィルタと略同じ分光特性を示すので、そのような多層膜干渉フィルタを用いて色シェーディングを防止することができる。

本発明に係る固体撮像装置は、画素ごとにＮ個の多層膜干渉フィルタＣ_j（ｊ＝１〜Ｎ）を備え、撮像領域に入射する光の最大入射角度がαのときに、入射角度

度で入射する光に関する多層膜干渉フィルタＣ_j（ｊ＝２〜Ｎ）の分光特性が、
入射角度０度で入射する光に関する多層膜干渉フィルタＣ₁の分光特性と同じであることを特徴とする。このようにすれば、撮像領域上の位置によって光の入射角度が異なっても、ひとつの画素の何れかの多層膜干渉フィルタは他の（Ｎ−１）個の画素の何れかの多層膜干渉フィルタと略同じ分光特性を示すので、そのような多層膜干渉フィルタを用いて色シェーディングを防止することができる。

本発明に係る固体撮像装置は、前記色信号Ｄを多層膜干渉フィルタが透過させる波長域ごとに求めることを特徴とする。このようにすれば、本発明に係る固体撮像装置を用いてカラー画像を撮像することができる。特に、可視波長域を多数の波長域に分けてその各々について複数の多層膜干渉フィルタを割り当てれば、色シェーディングを防止しつつ、高い色再現性を実現することができる。

例えば、前記波長域は赤色光を含む波長域、緑色光を含む波長域及び青色光を含む波長域の３つであるとすれば、色シェーディングを防止しつつ、赤色、緑色及び青色の３原色によるカラー画像を撮像することができる。また、前記波長域はマゼンタ色光を含む波長域、シアン色光を含む波長域及び黄色光を含む波長域の３つであるとすれば、マゼンタ色、シアン色及び黄色の３原色によるカラー画像を撮像することができる。

本発明に係るカメラは、画素ごとに分光特性が相違する複数の多層膜干渉フィルタと、前記多層膜干渉フィルタ毎に透過光の光量を検出する検出器と、を備え、撮像領域における画素の位置に応じた係数であって当該画素に係る多層膜干渉フィルタごとの係数Ａ_iと、当該画素に係る多層膜干渉フィルタごとの光量Ｓ_iと用いて、式

ただし、

により色信号Ｄを求める固体撮像装置を備えることを特徴とする。このようにすれば、色シェーディングを防止して、高い画質を実現するカメラを提供することができる。

以下、本発明に係る固体撮像装置及びカメラの実施の形態について、デジタルカメラを例にとり、図面を参照しながら説明する。
［１］ デジタルカメラの構成
先ず、本実施の形態に係るデジタルカメラの構成について説明する。図１は、本発明の実施の形態に係るデジタルカメラの主要な構成を示すブロック図である。図１に示されるように、デジタルカメラ１はレンズ１０１、固体撮像素子１０２、色信号合成部１０３、映像信号作成部１０４及び素子駆動部１０５を備えている。

レンズ１０１はデジタルカメラ１に入射した光を固体撮像素子１０２の撮像領域上に結像させる。レンズ１０１のレンズ径ｒは１０ｍｍで、焦点距離は１６．５ｍｍである。固体撮像素子１０２は入射光を光電変換して電気信号（以下、「色信号」という。）を生成する。固体撮像素子１０２のいわゆる２／３インチ固体撮像素子であり、撮像領域の対角長が概ね２／３インチとなっている。

素子駆動部１０５は固体撮像素子１０２に所定の信号を入力して前記色信号を取り出す。色信号合成部１０３は固体撮像素子１０２から受け付けた前記色信号に対して色シェーディングを施す。映像信号作成部１０４は色信号合成部１０３にて色シェーディングを施された色信号からカラー映像信号を生成する。カラー映像信号は最終的にカラー画像データとして記録媒体に記録される。

［２］ 固体撮像素子１０２の構成
次に、固体撮像素子１０２の構成について説明する。図２は、固体撮像素子１０２の１画素分のカラーフィルタの構成を示す図であって、図２（ａ）は平面図、図２（ｂ）は図２（ａ）のＡ−Ａ線における断面図である。図２（ａ）に示されるように、固体撮像素子１０２の１画素分のカラーフィルタは３原色のそれぞれに対応するカラーフィルタ（以下、「単色フィルタ」という。）が２つずつ組み合わされた構成となっている。すなわち、赤色に対応する単色フィルタＲ₁、Ｒ₂、緑色に対応する単色フィルタＧ₁、Ｇ₂及び青色に対応する単色フィルタＢ₁、Ｂ₂である。

また、図２（ｂ）に示されるように、単色フィルタＲ₁は１／４波長膜を積層した層２０１、２０３にてスペーサ層２０２を挟んだ構成となっており、単色フィルタＲ₂も同様に層２０４、２０６にてスペーサ層２０５を挟んだ構成となっている。単色フィルタＲ₁、Ｒ₂は１／４波長膜を積層した層２０１、２０３、２０４、２０６の構成において共通する一方、スペーサ層２０２、２０５の厚みを異にしている。このため、単色フィルタＲ₁、Ｒ₂はやや異なった分光特性を有する。

［３］ スペーサ層の厚み
図３は、Ｒ₁とＲ₂、或いはＧ₁とＧ₂等、対となる単色フィルタのスペーサ層を透過する入射光の光路を示す図である。撮像領域の中央部分では入射角度が略ゼロで単色フィルタに光が入射する。一方、撮像領域の辺縁部分では単色フィルタに対する入射角度が最も大きくなる。この最大入射角度をαとする。図３に示されるように、単色フィルタＲ₁に入射角度ゼロで光が入射すると、入射光がスペーサ層２０２を通過する際の光路長はスペーサ層２０２の厚みｔ₁に等しくなる。一方、単色フィルタＲ₂に入射角度αで光が入射すると、入射光がスペーサ層２０５を通過する際の光路長はスペーサ層２０５の厚みｔ₂をｃｏｓαで割った長さｔ₂／ｃｏｓαとなる。

カラーフィルタ２においてはスペーサ層２０２、２０５の厚みｔ₁、ｔ₂がスペーサ層２０２における光路長ｔ₁とスペーサ層２０５における光路長ｔ₂／ｃｏｓαとが等しくなるような厚みとなっている。
従って、撮像領域の中央部分では単色フィルタＲ₁を使い、撮像領域の辺縁部分では単色フィルタＲ₂を使えば、入射光がスペーサ層２０２、２０５を通過する光路長が等しくなる。従って、単色フィルタＲ₁、Ｒ₂の分光特性が等しくなるので、撮像領域の中央部分と辺縁部分との間の色ずれを解消することができる。

最大入射角度αは、レンズ１０１の半径ｒ、焦点距離ｆ及び固体撮像素子１０２の水平有効範囲の大きさｄを用いて次式により求めることができる。

上式を用いると、デジタルカメラ１の最大入射角度αとして２９．６度が得られ、撮像領域の辺縁部分における単色フィルタＲ₁の分光特性が中央部分における単色フィルタＲ₂の分光特性に対して２０ｎｍほど短波長側にずれることが分かる。
図４は、カラーフィルタ２の分光特性を示す図である。図４において、縦軸は分光透過率を表わし、横軸は波長を表わす。図４に示されるように、単色フィルタＲ₂の分光特性は単色フィルタＲ₁の分光特性に比べて２０ｎｍほど長波長側にずれている。このため、スペーサ層の厚みの違いによる分光特性のずれが入射角度に起因する分光特性のずれを相殺するので、単色フィルタＲ₁、Ｒ₂は略同様の分光特性を発揮して色シェーディングを補正する。以上のような関係は単色フィルタＧ₁、Ｇ₂間や単色フィルタＢ₁、Ｂ₂間についても同様に存在する。

［４］ 色シェーディングの補正
撮像領域の中央部分と辺縁部分との間の色シェーディングは上述のようにして補正することができる。一方、中央部分と辺縁部分との中間部分における色シェーディングの補正は以下のようにして行う。
色信号合成部１０３は、例えば、中間部分に位置する画素の赤色成分の強度Ｉ_Rをその画素の単色フィルタＲ₁、Ｒ₂を用いて得られる画素信号Ｓ_R1、Ｓ_R2を用いて次式により算出する。

ここで、

であり、係数Ａ₁はその画素が撮影領域の中央部分に近いほど大きく、辺縁部分に近いほど小さくなる。従って、係数Ａ₂はその画素が撮影領域の中央部分に近いほど小さく、辺縁部分に近いほど大きくなる。
色信号合成部１０３は、他の色成分についても同様に、

により各色成分の強度Ｉ_G、Ｉ_Bを算出する。このようにすれば、中間部分の画素についても入射角度に応じた分光特性に近い分光特性の単色フィルタを用いる場合と概ね同等の分光特性を実現して、色シェーディングを補正することができる。
また、撮像領域の全面に亘って色ごとにスペーサ層の厚みを異にする２種類の単色フィルタを設ければ良いので、カラーフィルタ２の製造工数を低減すると共に、製造コストを低減することができる。

［５］ 変形例
以上、本発明を実施の形態に基づいて説明してきたが、本発明が上述の実施の形態に限定されないのは勿論であり、以下のような変形例を実施することができる。
（１） 上記実施の形態においては赤、緑及び青の３原色に対応する単色フィルタを用いる場合について説明したが、本発明がこれに限定されないのは言うまでもなく、マゼンタ、緑及びシアンの３原色に対応する単色フィルタを用いて同様の処理を行っても良い。

（２） 上記実施の形態においては、３原色に対応する単色フィルタを２つずつ組み合わせて１画素分のカラーフィルタとする場合について説明したが、本発明がこれに限定されないのは言うまでもなく、これに代えて次のようにしても良い。
すなわち、４つ以上の波長域ごとに単色フィルタを組み合わせて、１画素分のカラーフィルタとしても良いし、同じ波長域に対応する単色フィルタを３以上組み合わせて１画素分のカラーフィルタとしても良い。

図５は、本変形例に係るカラーフィルタの構成を示す平面図である。図５に示されるように、カラーフィルタ５はｉ番目の波長域に対応するｍ個の単色フィルタＣ_i1〜Ｃ_imがｎ組、組み合わされて成っている。カラーフィルタ５の最大入射角度をαとすると、ｉ番目の波長域に対応するｊ番目の単色フィルタＣ_ijは入射角度

で光が入射したときに、スペーサ層の光学膜厚が最も大きい単色フィルタ（例えば、Ｃ_i1）の分光特性と分光特性が略同じになるように他の単色フィルタＣ_ijのスペーサ層の光学膜厚が設計されている。
この場合において、同じ波長域に対応する単色フィルタの数が多いほど、その撮像領域の中央部分の単色フィルタとの間の分光特性のずれを解消することができる単色フィルタが多くなるので、より高い精度で色シェーディングを補正することができる。

また、波長域をより細かく分割し、波長域ごとに色信号を生成すれば、すべての波長域についてより詳しいデータを得ることができるので、より忠実に画像を再現することができる。
（３） 上記実施の形態においては、同じ色に対応する単色フィルタを一列に並べる場合について説明したが、本発明がこれに限定されないのは言うまでもなく、これに代えて次のようにしても良い。

図６は、本変形例に係るカラーフィルタの１画素分の構成を示す平面図である。図６に示されるように、カラーフィルタ６においては赤色、緑色及び青色の３原色に対応する単色フィルタがいわゆるベイヤ配列に従って配列されている。ただし、ベイヤ配列の１つの原色に対応する位置には同じ原色に対応する２種類の単色フィルタが配設される。
例えば、赤色に対応する位置には赤色に対応する２つの単色フィルタＲ₁、Ｒ₂が配設される。また、青色に対応する位置には青色に対応する２つの単色フィルタＢ₁、Ｂ₂が配設される。ベイヤ配列にあっては緑色に対応する位置が２つある。この緑色に対応する２つの位置のそれぞれに緑色に対応する２つの単色フィルタＧ₁、Ｇ₂が配設される。

この他、ベイヤ配列の各位置にその位置の色に対応する単色フィルタを３つ以上配設しても良いし、ベイヤ配列以外の配列に従って単色フィルタを配設しても良い。また、ひとつの画素に対応する領域内に配置するのであれば、同じ色に対応する単色フィルタ同士を隣接して配置しなくても良い。単色フィルタの配列の如何に関わらず本発明の効果を得ることができる。

（４） 上記実施の形態においては特に言及しなかったが、係数Ａ_iの値の選択は以下のようにしても良い。
一般に、ｎ個の波長域ごとにｍ個の単色フィルタＣ_ij、（１≦ｉ≦ｎ、１≦ｊ≦ｍ）が組み合わされて成るカラーフィルタの個々の単色フィルタの出力をＳ_ijとすると、ひとつの波長域の強度Ｉ_iは次式により決定される。

ただし、

である。
さて、予め画素ごとに撮像領域上の位置が定まっているので、画素ごとに入射角度を求めることができる。例えば、Ｃ_i1からＣ_imの順にスペーサ層の光学膜厚が薄くなっている場合に、当該入射角度における単色フィルタＣ_ikの分光特性が撮像領域の中央部分に位置する画素の単色フィルタＣ_c1の分光特性と一番近けれらば、係数Ａ_kを最も大きくし、他の係数Ａ_hの大きさを差ｋ−ｈが大きいほど小さくするとしても良い。

或いは、単色フィルタＣ_c1の分光特性が単色フィルタＣ_ik、Ｃ_i(k+1)の分光特性の中間に当たる場合にはＡ_k、Ａ_(k+1)を大きくし、他の係数Ａ_hの大きさは差ｋ−ｈが大きいほど小さくするとしても良い。以上のようにすると、撮像領域の中央部分を中心とする同じ円周上に位置する画素どうしでは係数Ａ_i（１≦ｉ≦ｎ）の値が概ね同じになる。
また、色信号合成部１０３の処理負荷の軽減を考慮して、次のようにしても良い。図７は、係数Ａ_iを同じくする画素が撮像領域上でどのように分布するかを示す図である。図７において、網掛けを施された個々の四角形は個々の画素を表わしており、網掛け模様を同じくする画素は係数Ａ_i（１≦ｉ≦ｎ）の値が同じである。

このようにすれば、係数Ａ_iを記憶するための記憶容量が少なくて済み、また、記憶されている係数Ａ_iを探索して読み出すための手間も少ないので、色信号合成部１０３の処理負荷を軽減し、強度を算出するための処理時間を短縮することができる。

本発明に係る固体撮像装置及びカメラは、多層膜干渉フィルタの特性に起因して生じる色シェーディングを解消して優れた画質を提供する技術として有用である。

本発明の実施の形態に係るデジタルカメラの主要な構成を示すブロック図である。 本発明の実施の形態に係る固体撮像素子１０２の１画素分のカラーフィルタの構成を示す図であって、図２（ａ）は平面図、図２（ｂ）は図２（ａ）のＡ−Ａ線における断面図である。 本発明の実施の形態に係る単色フィルタであって、Ｒ₁とＲ₂、或いはＧ₁とＧ₂等、対となる単色フィルタのスペーサ層を透過する入射光の光路を示す図である。 本発明の実施の形態に係るカラーフィルタ２の分光特性を示す図である。 本発明の変形例（２）に係るカラーフィルタの構成を示す平面図である。 本発明の変形例（３）に係るカラーフィルタの１画素分の構成を示す平面図である。 本発明の変形例（３）に係る単色フィルタの出力に乗ずべき係数Ａ_iを同じくする画素が撮像領域上でどのように分布するかを示す図である。

符号の説明

１………………………………………デジタルカメラ
２、５、６……………………………カラーフィルタ
１０１…………………………………レンズ
１０２…………………………………固体撮像素子
１０３…………………………………色信号合成部
１０４…………………………………映像信号作成部
１０５…………………………………素子駆動部
２０１、２０３、２０４、２０６…１／４波長膜を積層した層
２０２、２０５………………………スペーサ層

Claims (8)

1. 画素ごとに分光特性が相違する複数の多層膜干渉フィルタと、
   前記多層膜干渉フィルタ毎に透過光の光量を検出する検出器と、を備え、
   撮像領域における画素の位置に応じた係数であって当該画素に係る多層膜干渉フィルタごとの係数Ａ_iと、当該画素に係る多層膜干渉フィルタごとの光量Ｓ_iと用いて、式
   

   

   ただし、
   

   

   により色信号Ｄを求める
   ことを特徴とする固体撮像装置。
2. 撮像領域上で入射角度が０度で光が入射する位置からの距離が略同じ画素間においては対応する前記係数Ａ_iが同じである
   ことを特徴とする請求項１に記載の固体撮像装置。
3. 前記複数の多層膜干渉フィルタは相異なる入射角度で入射する光に対して互いに略同一の分光特性を示す
   ことを特徴とする請求項１に記載の固体撮像装置。
4. 画素ごとにＮ個の多層膜干渉フィルタＣ_j（ｊ＝１〜Ｎ）を備え、
   撮像領域に入射する光の最大入射角度がαのときに、入射角度
   

   

   度で入射する光に関する多層膜干渉フィルタＣ_j（ｊ＝２〜Ｎ）の分光特性が、
   入射角度０度で入射する光に関する多層膜干渉フィルタＣ₁の分光特性と同じである
   ことを特徴とする請求項１に記載の固体撮像装置。
5. 前記色信号Ｄを多層膜干渉フィルタが透過させる波長域ごとに求める
   ことを特徴とする請求項１に記載の固体撮像装置。
6. 前記波長域は赤色光を含む波長域、緑色光を含む波長域及び青色光を含む波長域の３つである
   ことを特徴とする請求項５に記載の固体撮像装置。
7. 前記波長域はマゼンタ色光を含む波長域、シアン色光を含む波長域及び黄色光を含む波長域の３つである
   ことを特徴とする請求項５に記載の固体撮像装置。
8. 画素ごとに分光特性が相違する複数の多層膜干渉フィルタと、
   前記多層膜干渉フィルタ毎に透過光の光量を検出する検出器と、を備え、
   撮像領域における画素の位置に応じた係数であって当該画素に係る多層膜干渉フィルタごとの係数Ａ_iと、当該画素に係る多層膜干渉フィルタごとの光量Ｓ_iと用いて、式
   

   

   ただし、
   

   

   により色信号Ｄを求める固体撮像装置
   を備えることを特徴とするカメラ。

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