JP2009088255A - カラー固体撮像装置および電子情報機器 - Google Patents

Abstract

【課題】赤外線カットフィルタの配置やカラーフィルタの特定の色配列など様々な要因により発生する特定の形の色シェーディング現象を抑圧する。
【解決手段】カラー固体撮像装置１０は、受光面上に光電変換を行う複数の画素がマトリクス状に配列され、画素上に分光スペクトル特性が互いに異なる複数のカラーフィルタ１４が一定の空間周期で配置されると共に、カラーフィルタ１４上に画素単位でマイクロレンズ１６が配置されて、各色の複数のカラーフィルタ１４に対応して複数の色信号を出力するカラー固体撮像装置１０であって、均一な光を入射したとき、上記カラーフィルタ１４の空間周期を単位として、上記色信号の単位内での比が一定となるよう、上記マイクロレンズ１６はそのサイズ（面積）を画素単位で可変とされている。
【選択図】図１

Description

本発明は、画素毎に、被写体からの入射光を光電変換して撮像する半導体素子（フォトダイオード）で構成された光電変換部（これを各画素に対応した受光部とする）と、入射光を各色のカラーフィルタのそれぞれを通して各受光部上にそれぞれ集光させるための複数のマイクロレンズとを有するカラー固体撮像装置および、このカラー固体撮像装置を、画像入力デバイスとして撮像部に用いた例えばデジタルビデオカメラおよびデジタルスチルカメラなどのデジタルカメラや、画像入力カメラ、スキャナ、ファクシミリ、カメラ付き携帯電話装置などの電子情報機器に関する。

従来のカラー固体撮像装置には、撮像領域の受光面に、各画素に対応してそれぞれ光電変換部が複数平面状（水平方向および垂直方向）に配列された複数の受光部が形成され、各受光部に入射した光信号を受光部単位で電気信号に変換する。各受光部上にはそれぞれ、各色のカラーフィルタを一定の空間周期で繰り返し配置し、一つの撮像装置で複数の色信号（例えばＲ，Ｇ，Ｂの３原色の色信号）を得るようにした単板カラー固体撮像装置が知られている。特に、画素サイズの縮小化に伴い、各受光部への光の入射効率を高めるために、各受光部にそれぞれ対応するように集光用の複数のマイクロレンズを形成した構造が広く用いられている。

このような従来のカラー固体撮像装置において、各受光部内での各色毎の応答が、様々な理由により一定にならず不均一性が生じ、撮像領域の受光面の周辺部で色シェーディングが発生するという問題がある。よく知られている例として、誘電体多層膜による干渉型赤外線カットフィルタを用いた場合に、撮像領域の受光面の中心部から外側に離れるに従って、赤外カット波長が短波長側にシフトして赤色信号が減少し、撮像領域の受光面の周辺部では青色に色付くという問題がある。

これが特許文献１に開示されており、図５（ａ）および図５（ｂ）を用いて詳細に説明する。

図５（ａ）は、特許文献１に開示されている従来のカラー撮像システムの断面構造を示す模式図であり、図５（ｂ）は、図５（ａ）のイメージセンサの受光面を上から見た平面構造を示す模式図である。

図５（ａ）において、従来のカラー撮像システム１００は、入射光を撮像するためのイメージセンサ１０１と、これを内部に収容するためのパッケージ１０２と、パッケージ１０２内のイメージセンサ１０１の光入射側に設けられたリッドガラス１０３と、リッドガラス１０３上に設けられた誘電体多層膜よりなる赤外線カットフィルタ１０４と、赤外線カットフィルタ１０４の上方に設けられてイメージセンサ１０１の撮像領域の受光面上に結像させるための結像レンズ１０５とを有している。

この結像レンズで１０５の光軸Ｃがイメージセンサ１０１の受光面（撮像領域）の中央部を通り、光軸Ｃでは光の入射角度θは０度である。受光面（撮像領域）の中央部から周辺部（外周部）に向かうに従って入射角度θは増大し、外周端部（角部）で最大値θ１となる。それを上面から見た様子を図５（ｂ）に示している。図５（ｂ）では、イメージセンサ１０１の受光面１０１Ａ（撮像領域）の中央部の光軸Ｃから最も遠いイメージセンサ１０１の受光面１０１Ａ（撮像領域）の矩形角部１０１ａに対応した入射角度θが最大値θ１である。ここで、光軸Ｃを受光面１０１Ａの中心とした同心円の位置は光軸Ｃからの距離が等しい位置を示している。

一方、従来の固体撮像素子として、解像度の高い方が好ましいのは言うまでもないことである。解像度は、輝度信号を高めることにより向上することが知られている。このため、輝度信号を向上させたいという要望があった。

輝度信号は、各色信号の値を変数とする所定の式から求められる。この輝度信号を求める式は、各色信号の値のうち、いずれか一つを最大成分としている。よって、輝度信号を高めるには、輝度信号への寄与度が大きい最大成分の色信号を増大させると効果的である。例えば、一般的な規格であるＮＴＳＣ規格に従えば、輝度信号Ｅｙは、Ｅｙ＝０．５９Ｅｇ＋０．３Ｅｒ＋０．１１Ｅｂの式で定められている。ここで、Ｅｇはグリーン（Ｇ）の信号成分、Ｅｒはレッド（Ｒ）の信号成分、Ｅｂはブルー（Ｂ）の信号成分である。このように、輝度信号は、グリーン（Ｇ）の信号成分の寄与が大きい。したがって、ＮＴＳＣ規格において、Ｅｇの信号成分を増大させれば、他の色の信号を増大させるよりも輝度信号を高めるのに効果的となる。

上記のように、輝度信号は、複数の色信号のうち、いずれか一つを最大成分としているが、輝度信号を高めるため、その最大成分の色信号を増大させた従来技術として特許文献２について図６を用いて詳細に説明する。

図６は、特許文献２に開示されている従来の固体撮像素子の要部断面図である。なお、ここでは、説明が煩雑になるために転送ゲート配線と制御ゲート配線を省略している。

図６において、従来の固体撮像素子２００は、ｎ型シリコン基板２０１に受光部としての埋め込み型フォトダイオード２０２が、２次元状に複数設けられている。埋め込み型フォトダイオード２０２は、垂直信号線および制御領域配線２０３の開口部２０４により、受光する領域が所定の面積にされる。なお、図示していないが、埋め込み型フォトダイオード２０２は、ｎ型シリコン基板２０１の表面に設けられるｎ型領域表面拡散部と、それより内部に設けられるｐ型電荷蓄積領域とからなっている。

各埋め込み型フォトダイオード２０２上には、Ｒ、ＧおよびＢのいずれかの色層のカラーフィルタ２０５が絶縁膜２０６を介してオンチップ状に配置されている。なお、カラーフィルタ２０５の色配列としてはベイヤー配列が採用されている。カラーフィルタ２０５は、Ｒ、ＧおよびＢのいずれも同一の幅Ｗ−４、同一の面積を有している。カラーフィルタ２０５は、光電変換を行う埋め込み型フォトダイオード２０２に対応して配置される。このため、入射光は、カラーフィルタ２０５を透過した後に埋め込み型フォトダイオード２０２に導かれる。

カラーフィルタ２０５上には、それに対応するようにマイクロレンズ２０７が、平坦化膜２０８を介してオンチップ状に配置される。マイクロレンズ２０７は、カラーフィルタ２０５に対応して配置される。カラーフィルタ２０５は、上記のように埋め込み型フォトダイオード２０２に対応して配置されている。このため、マイクロレンズ２０７は、実質的に埋め込み型フォトダイオード２０２に対応して配置されている。

マイクロレンズ２０７は、対応するカラーフィルタ２０５の色層によって、直径が異なっている。ここでは、Ｇ（グリーン）の色層のカラーフィルタ２０５Ｇに対応して配置されるマイクロレンズ２０５Ｇの直径Ｗ−１は、その他のマイクロレンズ２０５Ｒ、２０５Ｂの直径Ｗ−２に比べて大きくされている。このため、Ｇ信号を得る画素は、その他の色の画素に比べて集光率が向上し入射光が増大する。したがって、それに伴いＧ信号の出力信号強度が増大する。

ところで、従来の固体撮像素子２００は、ＮＴＳＣ規格を採用している。ＮＴＳＣ規格は、既に説明したとおりグリーンのＧ信号が輝度信号の最大成分である。よって、従来の固体撮像素子２００は、輝度信号の最大成分が増大されることにより、前述したとおり、解像度が向上する。

従来の固体撮像素子２００は、強輝度色層であるグリーンのカラーフィルタの色層２０５Ｇに対応するマイクロレンズ２０７Ｇがその他の色層に対応するマイクロレンズ２０７Ｒおよび２０７Ｂに比べて開口面積が大きい。ここでは、強輝度色層に対応するマイクロレンズ２０７Ｇの直径を従来のものよりも増大させている。このため、従来よりも、強輝度色層によるＧ信号の強度は増大する。

ただし、素子面積が限られるため、マイクロレンズ２０７Ｇを大きくするのに伴い、その他の色層に対応するマイクロレンズ２０７Ｒおよび２０７Ｂは、その分だけ小さく形成されることになる。しかし、マイクロレンズ２０７Ｒおよび２０７Ｂの直径Ｗ−２は、制御領域配線２０３の開口幅Ｗ−３より大きい。したがって、弱輝度色層に対応する画素は、マイクロレンズ２０７Ｒおよび２０７Ｂを配置させることにより、それがないときよりも集光率が向上する。

また、マイクロレンズ２０７Ｒ、２０７Ｂの直径Ｗ−２は、小さくなるものの、強輝度色層の信号は、弱輝度色層の信号に対する比率が増大する。このため、固体撮像素子外での計算、補正等により、輝度信号を増大させて解像度を向上させることができる。
特開２００５−２３４０３８号公報 特開２００６−８６３５６号公報

上記特許文献１の構成において、誘電体多層膜の赤外線カットフィルタ１０４を通過した赤外カット波長は、光の入射角θが増大するにつれ、即ち、撮像領域の受光面１０１Ａの中央部から外周部に行くにつれて、短波長側にシフトする。これを図７（ａ）に示している。また、図７（ａ）にはカラーフィルタＲ（赤），Ｇ（緑），Ｂ（青）の分光透過率特性を示している。これによって、撮像領域の受光面１０１Ａの周辺部では、Ｒ画素の色信号が低下する。即ち、撮像領域の受光面１０１Ａの中央部の光軸Ｃ（中心）から同心円状に、周辺部で赤色信号強度が低下し青色側に色付く色シェーディングが発生する。これを図７（ｂ）に示している。なお、色信号強度は、ホワイトバランスにより中心部での色信号強度が同じになるよう補正している。

即ち、従来より、複数のカラーフィルタを用いたカラー固体撮像装置では、赤外領域での不要な感度を抑えるために赤外線カットフィルタが用いられている。この赤外線カットフィルタのカット波長は、赤フィルタの長波長側の限界を定めている。これには、通常、誘電体多層膜による干渉フィルタが用いられるが、この干渉フィルタのカット波長は、入射光の角度が垂直の０度から外れると、図７（ａ）の０度からθ１度のように短波長側にずれる（左側にシフトする）。これに対して、結増レンズから各受光部への入射光は、光軸（垂直の０度）から外れるに従い、垂直の０度から最大値θ１度までの斜め光となる。このため、撮像領域の受光面外周部ほど、赤画素の信号量が低下する。これによって、表示画面の周辺部分ほど、青色側に色付く、強い色シェーディングが発生する。

別の色シェーディング現象の一例を図８（ｂ）に示している。この場合のカラーフィルタの色配列は図８（ａ）に示すベイヤー配列として知られたものである。即ち、ベイヤー配列では、Ｒ（赤），Ｇｒ（Ｒ行の緑），Ｇｂ（Ｂ行の緑），Ｂ（青）の３色が２×２の４画素周期で繰り返し配列されている。Ｒ光はシリコン中を深く入るため、周辺画素への影響が大きい。特に、受光面の左右端部では、左右に隣接するＧｒ画素への影響が大きい。これと同様に、受光面の上下端部では、上下に隣接するＧｂ画素への影響が大きい。こうして、本来等しい応答となるべき緑色の「Ｇｒ」と「Ｇｂ」にアンバランスが生じる。図８（ｂ）はそれを均一光照射時の撮像画面で示したものである。

一方、上記特許文献２の構成では、表示画面の輝度を上げるために、輝度信号の最大成分を生成する画素に配置される色層（緑色層）に対応するマイクロレンズの直径をその他の画素に配置される色層（赤色や青色層）に対応するマイクロレンズの直径よりも、受光面全体で一様に大きく構成しているが、これでは、上記特許文献１の誘電体多層膜の赤外線カットフィルタ１０４の配置や、カラーフィルタの特定の色配列で生じる色シェーディング現象に対処できないし、その色シェーディング現象に対処するものでもない。

本発明は、上記従来の問題を解決するもので、赤外線カットフィルタの配置やカラーフィルタの特定の色配列など様々な要因により発生する特定の形の色シェーディング現象を抑圧（色信号の不均一性を補正）することができるカラー固体撮像装置および、このカラー固体撮像装置を、画像入力デバイスとして撮像部に用いたカメラ付き携帯電話装置などの電子情報機器を提供することを目的とする。

本発明のカラー固体撮像装置は、光電変換を行う複数の受光部が撮像領域の受光面にマトリクス状に配列され、該複数の受光部の上方に、分光スペクトル特性が互いに異なる複数のカラーフィルタを一定周期で該複数の受光部のそれぞれに対応するように配置すると共に、該複数のカラーフィルタ上に該複数の受光部のそれぞれに集光させるための複数のマイクロレンズが配置されて、該複数のカラーフィルタに対応して複数の色信号を出力するカラー固体撮像装置において、該複数のカラーフィルタの一定周期を単位として、該単位内での該複数の色信号の比が一定となるように該複数のマイクロレンズのサイズが受光部毎に可変とされているものであり、そのことにより上記目的が達成される。
また、好ましくは、本発明のカラー固体撮像装置における複数の受光部は、平面視同一面積で、前記撮像領域の受光面に水平方向および垂直方向共にそれぞれ等ピッチで配列されている。

さらに、好ましくは、本発明のカラー固体撮像装置における複数の色信号の比は、赤（Ｒ）／緑（Ｇ）と、緑（Ｇ）／青（Ｂ）と、青（Ｂ）／赤（Ｒ）であり、それぞれ撮像領域に亘り一定である。また、好ましくは、本発明のカラー固体撮像装置における複数の色信号の比は、赤（Ｒ）／緑（Ｇ）と、緑（Ｇ）／青（Ｂ）と、青（Ｂ）／赤（Ｒ）とが同一であり、それぞれ一定であってもよい。なお、一般に画素から直接得られる各色信号の比は同じにはならず、それぞれの比の値が受光空間に亘り一定であればよい。後述の図では同じにしているが、これは、同じでない色信号の比を、ホワイトバランスにより同じに補正した後である。

さらに、好ましくは、本発明のカラー固体撮像装置における複数のカラーフィルタは、原色系の色配列である。

さらに、好ましくは、本発明のカラー固体撮像装置における複数のカラーフィルタは、前記原色系の赤（Ｒ）、緑（Ｇ）および青（Ｂ）からなる。

さらに、好ましくは、本発明のカラー固体撮像装置における原色系の色配列はベイヤー配列である。

さらに、好ましくは、本発明のカラー固体撮像装置において、前記撮像領域の受光面の上方に赤外線カットフィルタが設けられ、該受光面中心部から外側に向かうほど、前記複数のカラーフィルタのうちの赤フィルタ上に対応するマイクロレンズのサイズまたは集光率が連続的または段階的に増大されている。赤外線カットフィルタは干渉型であってもよい。なお、赤外カットフィルタには、干渉型と吸収型があり、ここで問題にする現象が生じるのは干渉型のみである。吸収型にこの対策は不要であるが、厚みや材質の問題があり、干渉型がより一般的である。

さらに、好ましくは、本発明のカラー固体撮像装置において、前記複数のマイクロレンズ全てのサイズが等しいときに、前記複数の色信号の比が一定とならず分布として、Ｆｉｊ（ｘ，ｙ）＝Ｃｉ（ｘ，ｙ）／Ｃｊ（ｘ，ｙ）が発生する場合、前記受光部毎のマイクロレンズのサイズを、１／Ｆｉｊ（ｘ，ｙ）に比例する大きさとし、但し（ｘ，ｙ）はカラーフィルタの空間周期の単位ｘ，ｙ座標、i，ｊは色フィルタの種類を表す番号とする。

さらに、好ましくは、本発明のカラー固体撮像装置における複数のマイクロレンズはそれぞれ部分球面形状である。

さらに、好ましくは、本発明のカラー固体撮像装置における受光面中心部から前記受光面周辺部のうちの少なくとも該受光面周辺部において、隣接するマイクロレンズの外周端部のうちの少なくとも隣接部が互いにその外周縁部で重なり合っている。

さらに、好ましくは、本発明のカラー固体撮像装置において、前記受光面の上下方向中心部の一部から左端部および右端部に向かうほど、前記複数のカラーフィルタのうちの緑のＧｂ画素用フィルタに対応したマイクロレンズのサイズまたは集光率が連続的または段階的に増大されて隣接レンズ周縁部の少なくとも一部が互いに接すると共に、該受光面の左右方向中心部の一部から上端部および下端部に向かうほど、該複数のカラーフィルタのうちの緑のＧｒ画素用フィルタに対応したマイクロレンズのサイズまたは集光率が連続的または段階的に増大されて隣接レンズ周縁部の少なくとも一部が互いに接している。また、好ましくは、本発明のカラー固体撮像装置において、前記ベイヤー配列カラーフィルタにおいて、Ｒフィルタの左右側にＧｒフィルタ、上下側にＧｂフィルタが隣接し、前記受光面の上下方向中心部の一部から左端部および右端部に向かうほど、前記複数のカラーフィルタのうちの緑のＧｂ画素用フィルタに対応したマイクロレンズのサイズまたは集光率が連続的または段階的に増大されて隣接レンズ周縁部の少なくとも一部が互いに接すると共に、該受光面の左右方向中心部の一部から上端部および下端部に向かうほど、該複数のカラーフィルタのうちの緑のＧｒ画素用フィルタに対応したマイクロレンズのサイズまたは集光率が連続的または段階的に増大されて隣接レンズ周縁部の少なくとも一部が互いに接している。この場合には、Ｒフィルタの左右側に隣接するＧフィルタが受光面左右端で増大し、Ｒフィルタの上下側に隣接するＧフィルタが受光面上下端で増大するが、Ｇｒ，Ｇｂがどちらになっても（入れ替わっても）よく任意である。

さらに、好ましくは、本発明のカラー固体撮像装置において、前記撮像領域の受光面の上方に赤外線カットフィルタが設けられ、該受光面中心部から外側に向かうほど、前記複数のカラーフィルタのうちの赤フィルタ上に対応するマイクロレンズのサイズまたは集光率が連続的または段階的に増大されていると共に、該受光面の上下方向中心部の一部から左端部および右端部に向かうほど、該複数のカラーフィルタのうちの緑のＧｂ画素用フィルタに対応したマイクロレンズのサイズまたは集光率が連続的または段階的に増大されて隣接レンズ周縁部の少なくとも一部が互いに接し、かつ該受光面の左右方向中心部の一部から上端部および下端部に向かうほど、該複数のカラーフィルタのうちの緑のＧｒ画素用フィルタに対応したマイクロレンズのサイズまたは集光率が連続的または段階的に増大されて隣接レンズ周縁部の少なくとも一部が互いに接している。また、好ましくは、本発明のカラー固体撮像装置において、前記撮像領域の受光面の上方に赤外線カットフィルタが設けられ、該受光面中心部から外側に向かうほど、前記複数のカラーフィルタのうちの赤フィルタ上に対応するマイクロレンズのサイズまたは集光率が連続的または段階的に増大されていると共に、前記ベイヤー配列カラーフィルタにおいて、Ｒフィルタの左右側にＧｒフィルタ、上下側にＧｂフィルタが隣接し、該受光面の上下方向中心部の一部から左端部および右端部に向かうほど、該複数のカラーフィルタのうちの緑のＧｂ画素用フィルタに対応したマイクロレンズのサイズまたは集光率が連続的または段階的に増大されて隣接レンズ周縁部の少なくとも一部が互いに接し、かつ該受光面の左右方向中心部の一部から上端部および下端部に向かうほど、該複数のカラーフィルタのうちの緑のＧｒ画素用フィルタに対応したマイクロレンズのサイズまたは集光率が連続的または段階的に増大されて隣接レンズ周縁部の少なくとも一部が互いに接している。この場合にも、Ｒフィルタの左右側に隣接するＧフィルタが受光面左右端で増大し、Ｒフィルタの上下側に隣接するＧフィルタが受光面上下端で増大するが、Ｇｒ，Ｇｂがどちらになっても（入れ替わっても）よく任意である。この赤外線カットフィルタは干渉型であってもよい。

さらに、好ましくは、本発明のカラー固体撮像装置におけるマイクロレンズのサイズの増大率は、前記受光面中心部から外側に向かうほど、特定色の光量の低下分または特定色信号強度の低下分を補正する値に設定する。

さらに、好ましくは、本発明のカラー固体撮像装置におけるマイクロレンズの平面視単位形状は、円形、楕円形、矩形および正方形のいずれかである。

さらに、好ましくは、本発明のカラー固体撮像装置は、ＣＭＯＳイメージセンサまたはＣＣＤイメージセンサを構成している。

本発明の電子情報機器は、本発明の上記カラー個体撮像装置を画像入力デバイスとして撮像部に用いたものであり、そのことにより上記目的が達成される。

上記構成により、以下、本発明の作用を説明する。
色シェーディングの原因となる、各色信号の単位内での比のばらつきを、マイクロレンズの大きさ（サイズ）を変えて集光量を調整し補正することが可能となり、これによって、赤外線カットフィルタの配置やカラーフィルタの特定の色配列などの様々な要因により発生する特定の形の色シェーディング現象のない画像を得ることが可能となる。即ち、様々な要因により発生する特定の形の色シェーディング現象に対して、予め予測される色信号の不均一性を打ち消すようにマイクロレンズのサイズを順次補正すればよい。

従来より、複数のカラーフィルタを用いたカラー固体撮像装置では、赤外領域での不要な感度を抑えるために赤外線カットフィルタが用いられているが、撮像領域の受光面外周部ほど、赤画素の信号量が低下することによって、表示画面の周辺部分ほど、青色側に色付く、強い色シェーディングが発生する。

したがって、赤外線カットフィルタが配置される場合には、誘電体多層膜の赤外線カット波長が光の入射角が増大するにつれ短波長側にシフトすることにより、撮像領域の受光面周辺部でＲ画素の色信号が低下するのを、撮像領域の受光面中心部から受光面周辺部に離れるほど、受光面マイクロレンズのサイズ（または集光率）を拡大するように補正するため、受光面周辺部で青色側に色付く色シェーディングが抑圧される。

また、カラーフィルタの特定の色配列、例えばベイヤー配列の場合には、撮像領域の受光面の左右端部では、左右に隣接するＧｒ画素への影響が大きくＧｂ画素の色信号強度が低下し、撮像領域の受光面の上下端部では、上下に隣接するＧｂ画素への影響が大きくＧｒ画素の色信号強度が低下し、本来等しい応答となるべき緑色の「Ｇｒ」と「Ｇｂ」にアンバランスが生じるのを、撮像領域の受光面中心部から水平方向（行方向または横方向）左端部または右端部に向かうほど、複数のカラーフィルタのうちの緑色のＧｂ画素用カラーフィルタに対応したマイクロレンズのサイズ（または集光率；直径または面積）を連続的または段階的に増大させると共に、撮像領域の受光面中心部から垂直方向（列方向または縦方向）上端部または下端部に向かうほど、複数のカラーフィルタのうちの緑色のＧｒ画素用カラーフィルタに対応したマイクロレンズのサイズ（または集光率；直径または面積）を連続的または段階的に増大させる補正をするため、カラーフィルタの特定の色配列で生じる色シェーディングが補正され、均一画像が得られる。

特定の形：Ｆｉｊ（ｘ，ｙ）の色シェーディングが発生する場合、マイクロレンズのサイズを１／Ｆｉｊ（ｘ，ｙ）に比例する大きさとすることにより、色シェーディングを補正することが可能となり、色シェーディングが抑圧される。

複数の受光部が、平面視同一面積で、撮像領域の受光面に、水平方向および垂直方向共にそれぞれ等ピッチで配列するのは、色シェーディングの有効な防止条件である。

色信号がＲ，Ｇ，Ｂの三原色であれば、補色系の色配列に比べて後段の信号処理が容易となる。また、ベイヤー配列の場合、単位色信号がＲ、Ｂ、Ｇｂ、ＧｒでＧが半分を占めていることから高い色解像度が得られる。

各マイクロレンズが部分球面形状であれば、球面形状は他のレンズ形状に比べてマイクロレンズの集光効率が高く、マイクロレンズのサイズを可変とすることによる集光率の低下を防ぐことが可能となる。

以上により、本発明のよれば、複数のカラーフィルタの一定周期を単位として、その単位内での該複数の色信号の比が一定となるように複数のマイクロレンズのサイズ（または集光率；直径または面積に比例）が受光部毎に可変とされているため、赤外線カットフィルタの配置やカラーフィルタの特定の色配列など様々な要因により発生する特定の形の色シェーディング現象を抑圧することができる。

以下に、本発明のカラー固体撮像装置の実施形態１〜３、これをＣＭＯＳイメージセンサまたはＣＣＤイメージセンサに適用した場合の実施形態４および、これらのいずれかを画像入力デバイスとして撮像部に用いた電子情報機器の実施形態５について図面を参照しながら詳細に説明する。

（実施形態１）
図１（ａ）は、本発明のカラー固体撮像装置の実施形態１の要部構成例として受光面中心部付近の各色に対応したマイクロレンズの平面図、図１（ｂ）は、その受光面周辺部付近の各色に対応したマイクロレンズの平面図、図１（ｃ）は、（ａ）の水平方向の縦断面図、図１（ｄ）は、（ｂ）の水平方向の縦断面図、図１（ｅ）は、本実施形態１の対策前の色信号強度分布図、図１（ｆ）は、本実施形態１の対策後の色信号強度分布図である。

図１（ａ）〜図１（ｄ）において、本実施形態１のカラー固体撮像装置１０は、Ｎ型半導体基板１１に設けられたＰ型ウェル領域（図示せず）内にＮ型領域の複数の光電変換部１２（受光部；受光素子）が所定間隔を置いて２次元状でマトリクス状に配置されている。このように、複数の光電変換部１２は、平面視同一形状の同一面積で、撮像領域の受光面全体に水平方向および垂直方向（行列方向）共にそれぞれ等ピッチで配列されている。この光電変換部１２（受光部；受光素子）の表面上には暗電流防止用の表面Ｐ+層（図示せず）が設けられて受光素子（フォトダイオード）が埋め込み構造になっている。各光電変換部１２上には、層間絶縁膜１３を介して、各光電変換部１２に対応するように各色のカラーフィルタ１４およびその上の平坦化膜１５上にマイクロレンズ１６が設けられている。入射光は各マイクロレンズ１６から各色のカラーフィルタ１４をそれぞれ通して各光電変換部１２上にそれぞれ集光するようになっている。

カラーフィルタ１４の色配列は、原色系の色配列として、赤（Ｒ）、Ｒ行の緑（Ｇｒ）、Ｂ行の緑（Ｇｂ）、青（Ｂ）の３色が２×２画素単位で繰り返し配列されたベイヤー配列をその一例として示している。また、図５（ａ）でも説明したように、赤外領域での不要な感度を抑えるために干渉型赤外線カットフィルタ１０４が設けられており、干渉型赤外線カットフィルタ１０４が設けられる場合には、受光面中央部から受光面周辺部に向かうに従って、赤外カット波長が短波長側にシフトする。これを抑制するために、Ｒ画素のマイクロレンズ１６のサイズ（または集光率；直径または面積に比例）が、受光面中央部（光軸Ｃの位置）から受光面周辺部に向かって連続的または段階的に順次増大するように形成されている。即ち、Ｇｂ、ＧｒおよびＢ画素のマイクロレンズ１６のサイズｄ１１は、受光面の位置によらず同一の大きさであるが、受光面中央部（光軸Ｃの位置）から受光面周辺部に離れるほど、Ｒ画素のマイクロレンズ１６のサイズｄ１１からサイズｄ１２に直径が拡大している。このため、出力色信号は一定に保持される。これによって、２×２画素単位内での各色信号の比は一定に保たれる。即ち、複数のカラーフィルタ１４の一定周期を単位として、２×２画素単位内での複数の色信号の比が一定となるように複数のマイクロレンズ１６のサイズ（集光率；直径または面積に比例）が各光電変換部１２毎に可変とされている。これを均一光受光時の受光面中心部から周辺部に向かう色信号強度分布を示す分光透過率特性図で表すと、本実施形態１の対策前の図１（ｅ）が改善されて図１（ｆ）のようになる。ここで、図１（ｅ）は本実施形態１が未適用の場合（従来技術）、図１（ｆ）は本実施形態１が適用された場合を表している。なお、色信号強度は、ホワイトバランスにより中心部での色信号強度が同じになるよう補正している。即ち、本実施形態１の適用により、赤レベル（赤信号強度）が受光面周辺部で低下せず、色シェーディングが抑えられた均一画像を得ることができる。この場合、複数の色信号の比は、赤（Ｒ）／緑（Ｇ）と、緑（Ｇ）／青（Ｂ）と、青（Ｂ）／赤（Ｒ）であり、それぞれ撮像領域に亘り一定である。

Ｒ画素のマイクロレンズ１６のサイズ（直径または面積）を受光面中心部から受光面周辺部に向かって連続的または段階的に増大させる方法としては、マイクロレンズ形成用マスクを設計時に、サイズをナノメータの精度で１画素単位に制御することにより可能である。

さらに説明すると、特定の形：Ｆｉｊ（ｘ，ｙ）の色シェーディングが発生する場合、マイクロレンズのサイズを１／Ｆｉｊ（ｘ，ｙ）に比例する大きさとすることにより、色シェーディングを補正することが可能となり、色シェーディングが抑圧される。この場合、複数のマイクロレンズ全てのサイズが等しいときに、複数の色信号の比が一定とならず分布として、Ｆｉｊ（ｘ，ｙ）＝Ｃｉ（ｘ，ｙ）／Ｃｊ（ｘ，ｙ）が発生する場合、受光部毎のマイクロレンズのサイズを、１／Ｆｉｊ（ｘ，ｙ）に比例する大きさとし、但し（ｘ，ｙ）はカラーフィルタの空間周期の単位ｘ，ｙ座標、i，ｊは色フィルタの種類を表す番号とすることができる。

図１では、マイクロレンズ１６は部分球面形状とし、受光面中心部では隣接マイクロレンズ１６間でギャップがあり、受光面周辺部では互いに外周端縁が接するようにしている。この場合、マイクロレンズ１６の底面が画素面全体を覆うことはできず、集光率が高められない。この隣接マイクロレンズ１６間でギャップをできるだけなくして集光率を高めた事例を次の実施形態２に示している。

（実施形態２）
図２は、本発明のカラー固体撮像装置の実施形態２の要部構成例として受光面中心部付近の各色に対応したマイクロレンズの平面図、図２（ｂ）は、その受光面周辺部付近の各色に対応したマイクロレンズの平面図、図２（ｃ）は、（ａ）の水平方向の縦断面図、図２（ｄ）は、（ｂ）の水平方向の縦断面図、図２（ｅ）は、本実施形態２の対策前の色信号強度分布図、図２（ｆ）は、本実施形態１の対策後の色信号強度分布図である。

図２（ａ）〜図２（ｄ）において、本実施形態２のカラー固体撮像装置１０Ａは、Ｎ型半導体基板１１に設けられたＰ型ウェル領域（図示せず）内にＮ型の複数の光電変換部１２（各画素部；受光素子）が所定間隔を置いて２次元状でマトリクス状に配置されている。このように、複数の光電変換部１２は、撮像領域の受光面全体に水平方向および垂直方向（行列方向）共にそれぞれ等ピッチで配列されている。この光電変換部１２の表面上には暗電流防止用の表面Ｐ+層（図示せず）が設けられて受光素子（フォトダイオード）が埋め込み構造になっている。各光電変換部１２上には、層間絶縁膜１３を介して、各光電変換部１２にそれぞれ対応するように各色のカラーフィルタ１４およびその上の平坦化膜１５上にマイクロレンズ１７が設けられている。入射光は各マイクロレンズ１７から各色のカラーフィルタ１４をそれぞれ通して各光電変換部１２上にそれぞれ集光するようになっている。

マイクロレンズ１７は部分球面形状とし、受光面中心部で隣接マイクロレンズと互いに周縁部で重なりを持つ構成となっている。隣接マイクロレンズの平面視境界線で所定の厚みを有している。この場合、上記実施形態１の場合に比べて、よりマイクロレンズ間の隙間をなくした状態で、マイクロレンズ１７の底面が画素面の大部分を覆うことができて、より集光率を高めることができる。上記実施形態１の場合と同様に、赤外領域での不要な感度を抑えるために干渉型赤外線カットフィルタ１０４が設けられており、干渉型赤外線カットフィルタ１０４が設けられる場合には、撮像領域の受光面中央部から受光面周辺部に向かうに従って、赤外カット波長が短波長側にシフトする。これを抑制するために、撮像領域の受光面中心部から受光面周辺部に離れるに従って、Ｒ画素のマイクロレンズ１７のサイズ（集光率；直径または面積に比例）を連続的または段階的に順次増大させると、隣接する緑色のＧｒ画素のマイクロレンズ１７のサイズ（集光率；直径または面積に比例）はその分だけ減少することになる。即ち、Ｇｂ、ＧｒおよびＢ画素のマイクロレンズ１７のサイズｄ２１は、受光面の位置によらず同一の大きさであるが、受光面中央部（光軸Ｃの位置）から受光面周辺部に離れるほど、Ｒ画素のマイクロレンズ１７のサイズｄ２１からサイズｄ２２に直径が拡大し、これに伴って、Ｇｒ画素のマイクロレンズ１７のサイズｄ２１からサイズｄ２３に直径が縮小している。このため、図２（ｂ）に示すように、Ｒ画素のマイクロレンズ１７のサイズ（集光率；直径または面積に比例）の増大と共に、Ｂ画素のマイクロレンズ１７のサイズ（集光率；直径または面積に比例）も縮小し、画素出力の色信号としては、全ての色信号が同じ割合で減少するようにサイズ（集光率；直径または面積）を設定すればよい。これによって、２×２画素単位内での各色信号の比は一定に保たれることになる。即ち、複数のカラーフィルタ１４の一定周期を単位として、２×２画素単位内での複数の色信号の比が一定となるように複数のマイクロレンズ１７のサイズ（集光率；直径または面積）が各光電変換部１２毎に可変とされている。これを均一光受光時の受光面中心部から周辺部に向かう色信号強度分布を示す分光透過率特性図で表すと、本実施形態２の対策前の図２（ｅ）が改善されて図２（ｆ）のようになる。ここで、図２（ｅ）は本実施形態２が未適用の場合（従来技術）、図２（ｆ）は本実施形態２が適用された場合を表している。なお、色信号強度は、ホワイトバランスにより中心部での色信号強度が同じになるよう補正している。即ち、本実施形態２の適用により、赤レベルが受光面周辺部で低下せず、色シェーディングが抑えられた均一画像を得ることができる。この場合、複数の色信号の比は、赤（Ｒ）／緑（Ｇ）と、緑（Ｇ）／青（Ｂ）と、青（Ｂ）／赤（Ｒ）であり、それぞれ撮像領域に亘り一定である。

（実施形態３）
上記実施形態１，２では、赤外線カットフィルタが配置される場合に、誘電体多層膜の赤外カット波長が光の入射角が増大するにつれ短波長側にシフトして、撮像領域の受光面周辺部でＲ画素の色信号が低下するのを、撮像領域の受光面中心部から受光面周辺部に離れるほど、受光面マイクロレンズのサイズを拡大する場合について説明したが、本実施形態３では、カラーフィルタの特定の色配列、例えばベイヤー配列の場合に、撮像領域の受光面の左右端部ではＧｂ画素の色信号強度が低下し、撮像領域の受光面の上下端部ではＧｒ画素の色信号強度が低下するのを、撮像領域の受光面中心部から水平方向（行方向）左端部または／および右端部に向かうほど（光軸位置から同心円状に離れるほど）、緑色のＧｂ画素用カラーフィルタに対応したマイクロレンズのサイズ（または集光率；直径または面積に比例）を増大させると共に、撮像領域の受光面中心部から垂直方向（列方向）上端部または／および下端部に向かうほど（光軸位置から同心円状に離れるほど）、緑色のＧｒ画素用カラーフィルタに対応したマイクロレンズのサイズ（または集光率；直径または面積に比例）を増大させる場合について説明する。

図３は、本発明のカラー固体撮像装置の実施形態３を模式的に示す平面図であって、（ａ）は受光面中心部付近の各色に対応するマイクロレンズの平面図、（ｂ）は受光面左または右方向周辺部付近の各色に対応したマイクロレンズの平面図、（ｃ）は受光面上または下方向周辺部付近の各色に対応するマイクロレンズの平面図である。なお、本実施形態３の縦断面構造は、上記実施形態１、２の縦断面構造と同様であるため、図１（ｃ）で用いた部材番号と同一の作用効果を奏する部材には同一の部材番号を付して説明する。

図３（ａ）〜図３（ｃ）において、本実施形態３のカラー固体撮像装置１０Ｂは、Ｎ型半導体基板１１に設けられたＰ型ウェル領域（図示せず）内にＮ型領域の複数の光電変換部１２（受光部；受光素子）が所定間隔を置いて２次元状でマトリクス状に配置されている。このように、複数の光電変換部１２は、撮像領域の受光面全体に水平方向および垂直方向（行列方向）共にそれぞれ等ピッチで配列されている。この光電変換部１２の表面上には暗電流防止用の表面Ｐ+層（図示せず）が設けられて受光素子（フォトダイオード）が埋め込み構造になっている。各光電変換部１２上には、層間絶縁膜１３を介して、各光電変換部１２にそれぞれ対応するように各色のカラーフィルタ１４およびその上の平坦化膜１５上にマイクロレンズ１８が設けられている。入射光は各マイクロレンズ１８から各色のカラーフィルタ１４をそれぞれ通して各光電変換部１２上にそれぞれ集光するようになっている。

マイクロレンズ１８は集光効率の最もよい球面形状を含む部分球面形状とし、図３（ａ）に示す受光面中心部では隣接マイクロレンズ１８間でギャップがあり、図３（ｂ）に示す受光面左および右端部では緑のＧｂ画素のマイクロレンズ１８を拡大してレンズ周縁部で互いに接し、図３（ｃ）に示す受光面上および下端部では緑のＧｒ画素のマイクロレンズ１８を拡大してレンズ周縁部で互いに接する構成としている。即ち、撮像領域の受光面の上下方向中心部の一部（図８の端縁部の所定領域の幅；所定領域は色シェーディング領域の幅）から水平方向（行方向）左端部または右端部に向かうほど、複数のカラーフィルタ１４のうちの緑色のＧｂ画素用カラーフィルタに対応したマイクロレンズ１８のサイズ（または集光率；直径または面積に比例）が連続的または段階的に増大されて隣接レンズ周縁部で互いに接すると共に、撮像領域の受光面の左右方向中心部の一部（図８の端縁部の所定領域の幅；所定領域は色シェーディング領域の幅）から垂直方向（列方向）上端部または下端部に向かうほど、複数のカラーフィルタ１４のうちの緑色のＧｒ画素用カラーフィルタに対応したマイクロレンズ１８のサイズ（または集光率；直径または面積に比例）が連続的または段階的に増大されて隣接レンズ周縁部で互いに接している。これにより、図７で示した均一光照射時の色シェーディングが補正され、均一の画像を得ることができる。この場合、複数の色信号の比は、赤（Ｒ）／緑（Ｇｒ）と、緑（Ｇｒ）／青（Ｂ）と、青（Ｂ）／緑（Ｇｂ）と、緑（Ｇｂ）／赤（Ｒ）であり、それぞれ撮像領域に亘り一定である。また、複数の色信号の比は、赤（Ｒ）／緑（Ｇｒ）と、緑（Ｇｒ）／青（Ｂ）と、青（Ｂ）／緑（Ｇｂ）と、緑（Ｇｂ）／赤（Ｒ）とが同一であり、それぞれ一定であってもよい。

なお、ここでは、特に説明していないが、本実施形態３の図３に対してマイクロレンズ１８に重なりを持つ場合への変更も、上記実施形態２の図２の場合と同様に可能である。この場合にも、撮像領域の受光面の少なくとも中心部で隣接するマイクロレンズ１８が互いにレンズ周縁部で重なり合う構成とすることもできる。隣接マイクロレンズの平面視境界線で所定の厚みを有する。レンズ間の隙間を完全になくすには、平面視でマイクロレンズ１６〜１８の形状として、円形や楕円形の他に、矩形または正方形などの四角形でもよく、マイクロレンズが四角形の場合には、レンズ間の隙間を完全になくすことができて集光効率を向上させることができる。

また、上記実施形態１または２に本実施形態３を組み合わせることもできる。これは、赤外線カットフィルタが配置され、かつカラーフィルタの特定の色配列がベイヤー配列の場合である。この場合には、誘電体多層膜の赤外カット波長が光の入射角が増大するにつれ短波長側にシフトして、撮像領域の受光面周辺部でＲ画素の色信号が低下するのを、撮像領域の受光面中心部から受光面周辺部に離れるほど、マイクロレンズのサイズ（または集光率；直径または面積に比例）を拡大すると共に、撮像領域の受光面の左右端部ではＧｂ画素の色信号強度が低下し、撮像領域の受光面の上下端部ではＧｒ画素の色信号強度が低下するのを、撮像領域の受光面中心部から水平方向（行方向）左端部または／および右端部に向かうほど、緑色のＧｂ画素用カラーフィルタに対応したマイクロレンズのサイズ（または集光率；直径または面積に比例）を増大させ、かつ撮像領域の受光面中心部から垂直方向（列方向）上端部または／および下端部に向かうほど、緑色のＧｒ画素用カラーフィルタに対応したマイクロレンズのサイズ（または集光率；直径または面積に比例）を増大させる。これによって、赤外線カットフィルタの配置およびカラーフィルタの特定の色配列で生じる各色シェーディング現象を同時に抑圧することができる。

これらの場合にも、Ｒフィルタの左右側に隣接するＧフィルタが受光面左右端で増大し、Ｒフィルタの上下側に隣接するＧフィルタが受光面上下端で増大するが、Ｇｒ，Ｇｂがどちらになっても（入れ替わっても）よく任意である。

（実施形態４）
本実施形態４では、マイクロレンズ１６〜１８のいずれかのように、色シェーディングが発生して色信号強度が弱くなる色に対応したマイクロレンズを受光面中心部から受光面周辺部にかけてサイズ（直径または面積）を大きくするように構成した上記実施形態１〜３のカラー固体撮像装置１０、１０Ａおよび１０Ｂを、ＣＭＯＳイメージセンサおよびＣＣＤイメージセンサのいずれにも適用することができる。このＣＭＯＳイメージセンサまたはＣＣＤイメージセンサの場合について説明する。

ＣＭＯＳイメージセンサでは、多層配線層によって互いに接続されて光電変換部１２の選択および光電変換部１２からの信号出力に係る信号読出回路が単位画素部毎に設けられている。この信号読出回路として、ここでは図示していないが、ｎ型半導体基板１１側に、マトリクス状に配列された複数の光電変換部１２のうち、所定の光電変換部１２を選択するための選択トランジスタと、この選択トランジスタに直列接続され、選択された光電変換部１２から転送トランジスタを介して電荷検出部（フローティングディフュージョンＦＤ）に信号電荷が転送されて電圧変換された信号電圧に応じて信号増幅する増幅トランジスタと、この増幅トランジスタからの信号出力後に、電荷検出部の電位を所定電位にリセットするリセットトランジスタとが設けられている。または、選択トランジスタを有しない別の構成の信号読出回路として、これもここでは図示していないが、ｎ型半導体基板１１側に、マトリクス状に配列された複数の光電変換部１２のうち、周辺回路より選択された光電変換部１２から転送トランジスタを介して電荷検出部に信号電荷が転送されて電圧変換された信号電圧に応じて信号増幅する増幅トランジスタと、この増幅トランジスタからの信号出力後に、電荷検出部の電位を所定電位にリセットするリセットトランジスタとが設けられている。

ＣＣＤイメージセンサでは、これもここでは図示していないが、複数の光電変換部１２が撮像領域の受光面に２次元状に設けられ、光電変換部１２で光電変換された信号電荷が電荷転送部ＣＣＤに読み出されて所定方向に順次電荷転送された後に、電荷検出部で受光部毎ではなく一括して順次電荷検出されて撮像信号として増幅されて信号出力される。

ここで、ＣＭＯＳイメージセンサとＣＣＤイメージセンサの特徴について簡単に説明する。

ＣＭＯＳイメージセンサは、ＣＣＤイメージセンサのように、垂直転送部により各受光部からの信号電荷をそれぞれ電荷転送し、垂直転送部からの信号電荷を水平転送部により水平方向に電荷転送するＣＣＤを使用せず、メモリデバイスのようにアルミニュウム配線などで構成される選択制御線によって、画素毎に受光部から信号電荷を読み出してそれを電圧変換し、その変換電圧に応じて信号増幅した撮像信号を、選択された画素から順次読み出すようになっている。一方、ＣＣＤイメージセンサは、ＣＣＤの駆動のために正負の複数の電源電圧を必要とするが、ＣＭＯＳイメージセンサは、単一電源で駆動が可能であり、ＣＣＤイメージセンサに比べ、低消費電力化や低電圧駆動が可能である。さらに、ＣＣＤイメージセンサの製造には、ＣＣＤ独自の製造プロセスを用いているために、ＣＭＯＳ回路で一般的に用いられる製造プロセスをそのまま適用することが難しい。これに対して、ＣＭＯＳイメージセンサは、ＣＭＯＳ回路で一般的に用いられる製造プロセスを使用しているために、表示制御用のドライバー回路や撮像制御用のドライバー回路、ＤＲＡＭなどの半導体メモリ、論理回路などの製造で多用されているＣＭＯＳプロセスにより、論理回路やアナログ回路、アナログデジタル変換回路などを同時に形成してしまうことができる。つまり、ＣＭＯＳイメージセンサは、半導体メモリ、表示制御用のドライバー回路および撮像制御用のドライバー回路と同一の半導体チップ上に形成することが容易であり、また、その製造に対しても、半導体メモリや表示制御用のドライバー回路および撮像制御用のドライバー回路と生産ラインを共有することが容易にできる。

（実施形態５）
図４は、本発明の実施形態５として、本発明の実施形態１〜４のいずれかのカラー固体撮像装置を入力画像デバイスとして撮像部に用いた電子情報機器の概略構成例を示すブロック図である。

図４において、本実施形態５の電子情報機器２０は、各光電変換部１２から読み出した信号電荷から得た撮像信号に対して所定の信号処理をしてカラー画像信号を生成する上記実施形態１〜３のいずれかのカラー固体撮像装置１０、１０Ａまたは１０Ｂと、このカラー固体撮像装置１０、１０Ａまたは１０Ｂからのカラー画像信号を記録用に所定の信号処理した後にデータ記録可能とする記録メディアなどのメモリ部３０と、このカラー固体撮像装置１０、１０Ａまたは１０Ｂからのカラー画像信号を表示用に所定の信号処理した後に液晶表示画面などの表示画面上に表示可能とする液晶表示装置などの表示手段４０と、このカラー固体撮像装置１０、１０Ａまたは１０Ｂからのカラー画像信号を通信用に所定の信号処理をした後に通信処理可能とする送受信装置などの通信手段５０とを有している。なお、本実施形態５の電子情報機器２０では、これらのメモリ部３０、表示手段４０および通信手段５０を全て設ける場合の他に、メモリ部３０、表示手段４０および通信手段５０のいずれかが設けられていればよい。

この電子情報機器２０としては、例えばデジタルビデオカメラ、デジタルスチルカメラなどのデジタルカメラや、監視カメラ、ドアホンカメラ、車載用カメラ（後方か監視用カメラ）およびテレビジョン電話用カメラなどの画像入力カメラ、スキャナ、ファクシミリ、カメラ付き携帯電話装置などの画像入力デバイスを有した電子機器が考えられる。

したがって、本実施形態５によれば、カラー固体撮像装置１０、１０Ａまたは１０Ｂからのカラー画像信号に基づいて、これを表示画面上に良好に表示したり、これを紙面にて画像出力装置により良好に印刷してプリントアウトしたり、これを通信データとして有線または無線にて良好に通信したり、これをメモリ部３０に所定のデータ圧縮処理を行って良好に記憶したり、各種データ処理を良好に行うことができる。

以上により、本実施形態１〜５によれば、カラー固体撮像装置１０、１０Ａまたは１０Ｂは、撮像領域の受光面上に光電変換を行う複数の各光電変換部１２（受光部）がマトリクス状に配列され、各光電変換部１２上に分光スペクトル特性が互いに異なる複数のカラーフィルタ１４が一定の空間周期で配置されると共に、カラーフィルタ１４上に画素単位でマイクロレンズ１６〜１８のいずれかが配置されて、各色の複数のカラーフィルタ１４に対応して複数の色信号を出力するカラー固体撮像装置１０、１０Ａまたは１０Ｂであって、均一な光を入射したとき、上記カラーフィルタ１４の空間周期を単位として、上記各色信号の単位内での比が一定となるよう、上記マイクロレンズ１６〜１８のいずれかはそのサイズ（直径または面積）を画素単位で可変とされている。これによって、赤外線カットフィルタの配置やカラーフィルタの特定の色配列など様々な要因により発生する特定の形の色シェーディング現象を抑圧することができる。

なお、上記実施形態１〜５では、複数のカラーフィルタ１４は、原色系の色配列の赤（Ｒ）、緑（Ｇ）および青（Ｂ）からなるベイヤー配列としたが、これに限らず、補色系の色配列のシアン（Ｃ）、イエロー（Ｙ）およびマゼンダ（Ｍ）からなる色配列でもよい。これによって、上記実施形態１，２では、撮像領域の受光面の上方に、誘電体多層膜により形成された赤外線カットフィルタが設けられ、受光面中心部から外側に向かうほど、複数のカラーフィルタ１４のうちの赤フィルタ上に対応するマイクロレンズ１６および１７のいずれかのサイズが連続的または段階的に増大するように構成したが、これに限らず、撮像領域の受光面の上方に、誘電体多層膜により形成された赤外線カットフィルタが設けられ、受光面中心部から外側に向かうほど、複数のカラーフィルタ１４のうちの赤色系のマゼンダフィルタ上に対応するマイクロレンズ１６および１７のいずれかのサイズを連続的または段階的に増大するように構成することもできる。このように、サイズが段階的に増大させる場合、受光面中心部（光軸）から同心円状の等距離毎に、複数のカラーフィルタの一定周期を単位として、所定の単位内での複数の色信号の比が一定となるように複数のマイクロレンズのサイズが受光部毎に可変とされている。

以上のように、本発明の好ましい実施形態１〜５を用いて本発明を例示してきたが、本発明は、この実施形態１〜５に限定して解釈されるべきものではない。本発明は、特許請求の範囲によってのみその範囲が解釈されるべきであることが理解される。当業者は、本発明の具体的な好ましい実施形態１〜５の記載から、本発明の記載および技術常識に基づいて等価な範囲を実施することができることが理解される。本明細書において引用した特許、特許出願および文献は、その内容自体が具体的に本明細書に記載されているのと同様にその内容が本明細書に対する参考として援用されるべきであることが理解される。

本発明は、画素毎に、被写体からの画像光を光電変換して撮像する半導体素子で構成された光電変換部（これを各画素に対応する受光部とする）と、入射光を各色のカラーフィルタのそれぞれを通して受光部上に集光させるためのマイクロレンズとを有するカラー固体撮像装置および、このカラー固体撮像装置を、画像入力デバイスとして撮像部に用いた例えばデジタルビデオカメラおよびデジタルスチルカメラなどのデジタルカメラや、画像入力カメラ、スキャナ、ファクシミリ、カメラ付き携帯電話装置などの電子情報機器の分野において、複数のカラーフィルタの一定周期を単位として、単位内での該複数の色信号の比が一定となるように複数のマイクロレンズのサイズ（または集光率；直径または面積に比例）が受光部毎に可変とされているため、赤外線カットフィルタの配置やカラーフィルタの特定の色配列など様々な要因により発生する特定の形の色シェーディング現象を抑圧することができる。

（ａ）および（ｂ）は本発明のカラー固体撮像装置の実施形態１を模式的に示す平面図、（ｃ）および（ｄ）はそのカラー固体撮像装置を模式的に示す断面図、（ｅ）および（ｆ）は本実施形態１の対策前後の色信号強度分布図である。 （ａ）および（ｂ）は本発明のカラー固体撮像装置の実施形態２を模式的に示す平面図、（ｃ）および（ｄ）はそのカラー固体撮像装置を模式的に示す断面図、（ｅ）および（ｆ）は対策前後の色信号強度分布図である。 （ａ）〜（ｃ）は本発明のカラー固体撮像装置の実施形態３を模式的に示す平面図である。 本発明の実施形態５として、本発明の実施形態１〜３のいずれかのカラー固体撮像装置を撮像部に用いた電子情報機器の概略構成例を示すブロック図である。 （ａ）は、特許文献１に開示されている従来のカラー撮像システムの断面構造を示す模式図であり、（ｂ）は、（ａ）のイメージセンサの受光面を上から見た平面構造を示す模式図である。 特許文献２に開示されている従来の固体撮像素子の要部断面図である。 （ａ）および（ｂ）は図５に示す従来のカラー撮像システムの課題を説明するための図である。 （ａ）および（ｂ）は従来のカラー固体撮像装置の色シェーディング現象を説明するための平面図である。

符号の説明

１０、１０Ａ，１０Ｂ カラー固体撮像装置
１１ 半導体基板
１２ 光電変換部（受光部）
１４ カラーフィルタ
１６〜１８ マイクロレンズ
２０ 電子情報機器
３０ メモリ部
４０ 表示手段
５０ 通信手段
１０２ パッケージ
１０３ リッドガラス
１０４ 赤外線カットフィルタ
１０５ 結像レンズ
Ｃ 光軸
ｄ１１、ｄ１２、ｄ２１、ｄ２２、ｄ２３ マイクロレンズのサイズ（直径）

Claims (16)

1. 光電変換を行う複数の受光部が撮像領域の受光面にマトリクス状に配列され、該複数の受光部の上方に、分光スペクトル特性が互いに異なる複数のカラーフィルタを一定周期で該複数の受光部のそれぞれに対応するように配置すると共に、該複数のカラーフィルタ上に該複数の受光部のそれぞれに集光させるための複数のマイクロレンズが配置されて、該複数のカラーフィルタに対応して複数の色信号を出力するカラー固体撮像装置において、
   該複数のカラーフィルタの一定周期を単位として、該単位内での該複数の色信号の比が一定となるように該複数のマイクロレンズのサイズが受光部毎に可変とされているカラー固体撮像装置。
2. 前記複数の受光部は、平面視同一面積で、前記撮像領域の受光面に水平方向および垂直方向共にそれぞれ等ピッチで配列されている請求項１に記載のカラー個体撮像装置。
3. 前記複数の色信号の比は、赤（Ｒ）／緑（Ｇ）と、緑（Ｇ）／青（Ｂ）と、青（Ｂ）／赤（Ｒ）であり、それぞれ撮像領域に亘り一定である請求項１に記載のカラー個体撮像装置。
4. 前記複数のカラーフィルタは、原色系の色配列である請求項１に記載のカラー個体撮像装置。
5. 前記複数のカラーフィルタは、前記原色系の赤（Ｒ）、緑（Ｇ）および青（Ｂ）からなる請求項４に記載のカラー個体撮像装置。
6. 前記原色系の色配列はベイヤー配列である請求項４に記載のカラー個体撮像装置。
7. 前記撮像領域の受光面の上方に赤外線カットフィルタが設けられ、該受光面中心部から外側に向かうほど、前記複数のカラーフィルタのうちの赤フィルタ上に対応するマイクロレンズのサイズまたは集光率が連続的または段階的に増大されている請求項１または３に記載のカラー個体撮像装置。
8. 前記複数のマイクロレンズ全てのサイズが等しいときに、前記複数の色信号の比が一定とならず分布として、Ｆｉｊ（ｘ，ｙ）＝Ｃｉ（ｘ，ｙ）／Ｃｊ（ｘ，ｙ）が発生する場合、前記受光部毎のマイクロレンズのサイズを、１／Ｆｉｊ（ｘ，ｙ）に比例する大きさとし、但し（ｘ，ｙ）はカラーフィルタの空間周期の単位ｘ，ｙ座標、i，ｊは色フィルタの種類を表す番号とする請求項１に記載のカラー固体撮像装置。
9. 前記複数のマイクロレンズはそれぞれ部分球面形状である請求項１に記載のカラー個体撮像装置。
10. 前記受光面中心部から前記受光面周辺部のうちの少なくとも該受光面周辺部において、隣接するマイクロレンズの外周端部のうちの少なくとも隣接部が互いにその外周縁部で重なり合っている請求項１に記載のカラー個体撮像装置。
11. 前記受光面の上下方向中心部の一部から左端部および右端部に向かうほど、前記複数のカラーフィルタのうちの緑のＧｂ画素用フィルタに対応したマイクロレンズのサイズまたは集光率が連続的または段階的に増大されて隣接レンズ周縁部の少なくとも一部が互いに接すると共に、該受光面の左右方向中心部の一部から上端部および下端部に向かうほど、該複数のカラーフィルタのうちの緑のＧｒ画素用フィルタに対応したマイクロレンズのサイズまたは集光率が連続的または段階的に増大されて隣接レンズ周縁部の少なくとも一部が互いに接している請求項６に記載のカラー個体撮像装置。
12. 前記撮像領域の受光面の上方に赤外線カットフィルタが設けられ、該受光面中心部から外側に向かうほど、前記複数のカラーフィルタのうちの赤フィルタ上に対応するマイクロレンズのサイズまたは集光率が連続的または段階的に増大されていると共に、
    該受光面の上下方向中心部の一部から左端部および右端部に向かうほど、該複数のカラーフィルタのうちの緑のＧｂ画素用フィルタに対応したマイクロレンズのサイズまたは集光率が連続的または段階的に増大されて隣接レンズ周縁部の少なくとも一部が互いに接し、かつ該受光面の左右方向中心部の一部から上端部および下端部に向かうほど、該複数のカラーフィルタのうちの緑のＧｒ画素用フィルタに対応したマイクロレンズのサイズまたは集光率が連続的または段階的に増大されて隣接レンズ周縁部の少なくとも一部が互いに接している請求項６に記載のカラー個体撮像装置。
13. 前記マイクロレンズのサイズの増大率は、前記受光面中心部から外側に向かうほど、特定色の光量の低下分または特定色信号強度の低下分を補正する値に設定する請求項１、７、１１および１２のいずれかに記載のカラー個体撮像装置。
14. 前記マイクロレンズの平面視単位形状は、円形、楕円形、矩形および正方形のいずれかである請求項１または１０に記載のカラー個体撮像装置。
15. ＣＭＯＳイメージセンサまたはＣＣＤイメージセンサを構成している請求項１〜１４のいずれかに記載のカラー個体撮像装置。
16. 請求項１〜１５のいずれかに記載のカラー個体撮像装置を画像入力デバイスとして撮像部に用いた電子情報機器。

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