JP2009194775A - 画像撮像素子のずらし量算出方法及び装置、画像撮像素子、画像撮像素子内蔵装置 - Google Patents

Abstract

【課題】撮像レンズのＣＲＡ特性（主光線入射角特性）の非線形度が強い固体撮像素子において、シェーディング特性の悪化を防止するためのずらし量を、ＣＲＡ特性に良く追従するように、かつ効率的に算出可能とする。
【解決手段】１０２は、ＣＲＡ特性値１０１を入力して、そのうちの２乃至５点のサンプル点１０６を取得する。１０３は、１０２が取得したＣＲＡ特性値１０１の各サンプル点について、光線追跡法などによる光学シミュレーションによって、集光率が最大となるサンプル点ずらし量１０７を求める。１０４は、１０３が算出した複数サンプル点におけるサンプル点ずらし量１０７に基づいて、ｎ次関数（ｎ≧２）で近似されるずらし量特性関数１０８を算出する。１０５は、１０４にて算出されたずらし量特性関数１０８を用いて、固体撮像素子における各画素を構成する集光部のずらし量１２０９を算出する。
【選択図】図１

Description

本発明は、デジタルカメラや携帯電話端末向けなどのカメラモジュールに用いる固体撮像素子（イメージセンサ）等の画像撮像素子技術に関する。

ＣＭＯＳセンサやＣＣＤなどの固体撮像素子では、撮像レンズを経た光が、２次元アレイ状に配置された画素を構成するフォトダイオード（ＰＤ)などの受光部１２０２に導かれる。画素には、受光部１２０２のほかにトランジスタや配線パターンが含まれることから、画素のピッチに比べ、受光部１２０２の開口幅は狭く、そのままでは、撮像レンズを経た光のごく一部しか受光部１２０２に入らないために、感度が低くなってしまう。

この感度低下を防ぐために、固体撮像素子は、図１２に示されるように、集光部１２１０の一部であるマイクロレンズ（ＭＬ）１２０１を有し、できる限り広い範囲の光がシリコン（Ｓｉ）基板１２０８上に配置される受光部１２０２に届くように集光が行われている。また、カラーの撮像素子では、集光部１２１０の一部として、受光部１２０２の上に平面状に例えばＲＧＢなどのオンチップカラーフィルタ（ＯＣＦ）１２０３が配置されている。

画面の中央では、受光部１２０２の２次元アレイ平面に垂直な軸を基準とした入射光１２０４の入射角はほぼ０度で、入射光１２０４は垂直に入射する。この場合、受光部１２０２の中心と、これに対応するマイクロレンズ１２０１及びＯＣＦ１２０３などの集光部１２１０の中心の、２次元平面上の位置は一致する。

一方、画面の端部のように、画面中央以外では、撮像レンズ１２０５を経て受光部１２０２に入射する入射光１２０４は、斜めとなり、例えば２０度〜３０度の入射角で入射する。このため、光線が、マイクロレンズ１２０１及びＯＣＦ１２０３などの集光部１２１０と受光部１２０２との間に挿入されている層間絶縁膜１２０７中に配置されている配線層１２０７のパターンの影になって、画面中央に比べ画面周辺部の光量が極端に低くなり、シェーディング特性が悪くなってしまう。

これに対し、従来の固体撮像素子では、斜めに入射する入射光１２０４が受光部１２０２に最も多く入るように、図１３（ｃ）及び図１４（ｄ）に示されるように、画面の中央以外では、各画素１３０１におけるマイクロレンズ１２０１及びＯＣＦ１２０３などの集光部１２１０の中心が、受光部１２０２の中心に対して２次元平面上で所定のずらし量１２０９だけずれるように、集光部１２１０のピッチを受光部１２０２のピッチより小さくすることによって、シェーディング特性を改善していた。

その結果、従来の固体撮像素子においては、図１５として示されるように、ずらし量１２０９は、画面周辺（像高が大となる方向）に向かって直線状に増える構造になっていた。ここで、像高（Ｉｍａｇｅ Ｈｅｉｇｈｔ）とは、画面中央画素から対角線端の画素までの距離を１００％としたときの画面中央画素から２次元アレイ平面上の各画素までの距離をパーセントで表した数値である。また、画面中心からの距離が同じであれば、左右方向（ｘ方向）および上下方向（ｙ方向）で、ずらし量１２０９ｘ及び１２０９ｙ（図１３（ｃ）及び図１４（ｄ）参照）は、同じ量であった。
特開２００３−１８４７６号公報 特開平５−３２８２３３号公報

近年、デジタルカメラやカメラ付き携帯電話端末向けカメラモジュールの小型高画質化に伴い、撮像レンズは、小型化、低コスト化、高画質化、広画角化、及び、固体撮像素子の画面端部における入射角を小さくする、等の多岐にわたる要求に答えるべく、さまざまな種類が開発されている。これらの撮像レンズのなかには、画面内における光の入射角の特性を示すＣＲＡ（Ｃｈｅｆ Ｒａｙ Ａｎｇｌｅ：主光線入射角）特性として、入射角が画面中央から周辺に向かって非線形に変化する特性がしばしばみられる。

図１６及び図１７は、撮像レンズのＣＲＡ特性の一例を示す図である。図１６（ａ１）（ｂ１）及び図１７（ｃ１）は、ＣＲＡ特性が線形に変化するレンズ（レンズＡ）と、そのずらし量特性及び出力コード特性を示す図である。一方、図１６（ａ２）（ｂ２）及び図１７（ｃ２）は、ＣＲＡ特性が非線形に変化するレンズ（レンズＢ）と、そのずらし量特性及び出力コード特性を示す図である。

レンズＢのような特性の撮像レンズを用いる場合、従来の固体撮像素子では、図１６（ｂ２）に示されるように、画面の端部（像高（Ｉｍａｇｅ Ｈｅｉｇｈｔ）＝１００％）における受光部１２０２（図１２参照）への入射光量が最大となるように、ずらし量１２０９が設定されると、図１６（ｃ２）に示されるように、画面中央から画面端までの中ほど、例えば、像高（Ｉｍａｇｅ Ｈｅｉｇｈｔ）＝５０％付近にて、光量が低下して（同図１７０１参照）、シェーディング特性が折れ曲がるように悪化した。

このようにシェーディング特性が悪い場合、撮影された画像では、図１７（ｄ）に示されるように、低下した箇所付近が同心円または同心楕円１７０１となって、これより画面中心側は明るくなり、外側が暗くなって影のように見えて、画質が悪化するという問題点を有していた。

以上説明したように、撮像レンズのＣＲＡ特性（主光線入射角特性）の非線形度が強い場合、従来の固体撮像素子では、シェーディング特性が悪化するという課題があった。
ここで、ＣＡＤ設計段階で、固体撮像素子の各画素毎にＣＲＡ特性を測定してずらし量を設定する手法も考えられるが、現代の固体撮像素子の画素数は数百〜数千万画素に及ぶため、それぞれに対して上記の作業を行うのは非現実的であるという問題点を有していた。

本発明の課題は、撮像レンズのＣＲＡ特性（主光線入射角特性）の非線形度が強い固体撮像素子において、シェーディング特性の悪化を防止するためのずらし量を、ＣＲＡ特性に良く追従するように、かつ効率的に算出可能とすることにある。

本発明は、画像撮像素子を構成する各画素（１３０１）内に配置される各受光素子（１２０２）と、各受光素子に画像撮像素子と共に用いられる撮像レンズ（１２０５）からの入射光（１２０４）を集光するためにその各画素上に配置される各マイクロレンズ（１２０１）とのずらし量（１２０９）を算出するための方法、画像撮像素子自体、又は画像撮像素子を内蔵する携帯情報装置を前提とする。

本発明の第１の態様は、以下の構成を有する。
まず、第１のステップにおいて、画像撮像素子内での各画素の配置位置とその各画素への入射光の各入射角との関係を示す入射角特性値（１０６）が取得される（１０２）。

次に、第２のステップにおいて、入射角特性値について、その各値に対応する各画素に配置される各受光素子と各マイクロレンズとの各ずらし量（１０７）が、各受光素子での入射光の各集光率に基づき算出される（１０３）。

続いて、第３のステップにおいて、各画素について、各配置位置と各ずらし量との関係を示すずらし量特性関数（１０８）が、入射角特性値に対応する各ずらし量を用いて２次以上の多次関数によって近似されて算出される（１０４）。

そして、第４のステップにおいて、そのずらし量特性関数を用いて、各画素における各ずらし量（１２０９）が算出される（１０５）。
上述の本発明の第１の態様において、第３のステップにおいて、受光素子の横幅方向と縦幅方向のそれぞれについてずらし量特性関数が算出されるステップが含まれ、第４のステップにおいて、受光素子の横幅方向と縦幅方向のそれぞれについて算出された各ずらし量特性関数を用いて、横幅方向のずらし量と縦幅方向のずらし量がそれぞれ算出されるステップが含まれるように構成することができる。

更にこの態様において、受光素子の横幅方向と縦幅方向のそれぞれについて算出される各ずらし量特性関数の何れか一方又は両方は、多次関数によって近似される項と受光素子の横幅方向位置又は縦幅方向位置に応じて補正を行う補正項（例えば、（１＋ｅ×ｘ² ））が含まれるように構成することができる。

ここまでの発明の構成において、各画素上に各マイクロレンズに近接して配置されるオンチップカラーフィルタ（１２０３）の各受光素子に対するずらし量を、マイクロレンズと同じ量になるように算出するステップが更に含まれるように構成することができる。

或いは、各画素上に各マイクロレンズに近接して配置されるオンチップカラーフィルタの各受光素子に対するずらし量が、マイクロレンズに対して所定の関係になるように算出するステップが更に含まれるように構成することができる。

本発明の別の態様は、上述のようにしてずらし量が設定されている画像撮像素子、又はそのような画像撮像素子を内蔵するデジタルカメラや携帯電話等の携帯情報装置として構成することもできる。

本発明によれば、撮像レンズの主光線特性が直線から大きくずれていても、シェーディング特性を向上させ、画像撮像素子の高画質化に効果がある。
また、フォトダイオードなどの受光部の開口形状が長方形であっても、画面中央から周辺に向かって徐々に暗くなってゆく、自然なシェーディング特性を得ることが可能となる。

以下、図面を参照しながら、本発明を実施するための最良の形態を詳細に説明する。
本発明の実施形態の基本構成
図１は、本発明の各実施形態に共通の基本機能ブロック図ある。

本発明の各実施形態は、固体撮像素子における各画素を構成する集光部のずらし量を算出する装置として実現される。
本発明の各実施形態が対象とする固体撮像素子の基本構造は、図１２〜図１４に示されるものと同じである。本発明の第１の実施形態の構造が従来技術と異なる点は、ずらし量１２０９（図１２参照）の決定方法である。

ＣＲＡサンプル点取得部１０２は、ＣＲＡ特性値１０１を入力して、そのうちの２乃至５点のサンプル点１０６を取得する。サンプル点１０６の数は、ずらし量特性関数を何次関数で近似するかによって異なる。このＣＲＡサンプル点取得部１０２は、ユーザにＣＲＡ特性値１０１を表示する表示装置と、ユーザが表示部に表示されたＣＲＡ特性値１０１のうち数点のサンプル点１０６を指定できるようなポインタ指定装置とを備え、ユーザが指定したサンプル点１０６の情報を取得するコンピュータとそれによって実行されるコンピュータプログラムとから構成される。コンピュータは、中央演算装置（ＣＰＵ）、主記憶メモリ、外部記憶装置、表示装置、キーボード、マウス（ポインタ指定装置）等を備える一般的な構成のものでよい。

サンプル点ずらし量算出部１０３は、ＣＲＡサンプル点取得部１０２が取得したＣＲＡ特性値１０１の各サンプル点について、光線追跡法などによる光学シミュレーションによって、集光率(画素平面に入射光１２０４のうち、受光部１２０２にたどり着ける光線の比率（図１２参照）)が最大となるサンプル点ずらし量１０７を求める。このサンプル点ずらし量算出部１０３は、前述の構成を有するコンピュータとそれによって実行されるコンピュータプログラムとから構成される。

ずらし量特性関数算出部１０４は、サンプル点ずらし量算出部１０３が算出した複数サンプル点におけるサンプル点ずらし量１０７に基づいて、後述する各実施形態に対応するｎ次関数（ｎ≧２）で近似されるずらし量特性関数１０８を算出する。このずらし量特性関数算出部１０４は、前述の構成を有するコンピュータとそれによって実行されるコンピュータプログラムとから構成され、サンプル点ずらし量１０７を入力として、例えば最小二乗法によってｎ次関数であるずらし量特性関数を算出する。

ずらし量算出部１０５は、ずらし量特性関数算出部１０４にて算出されたずらし量特性関数１０８を用いて、固体撮像素子における各画素を構成する集光部１２１０のずらし量１２０９（図１２参照）を算出する。このずらし量算出部１０５は、前述の構成を有するコンピュータとそれによって実行されるコンピュータプログラムとから構成され、前記各画素位置毎に上述のずらし量特性関数に基づく計算を実行し、その結果として得られるずらし量を出力する。

以下に説明する本発明の各実施形態では、撮像レンズ１２０５（図１２参照）のＣＲＡ特性が概ね２〜５次の関数で近似できることに着目し、実測値である数点のサンプル点ずらし量１０７からＣＲＡ特性を良く近似するｎ次関数のずらし量特性関数が算出され、そのずらし量特性関数に基づいて、固体撮像素子における各画素を構成する集光部１２１０のずらし量１２０９（図１２参照）が、高速かつ最適に算出されることが特徴である。

本発明の第１の実施形態
図１の基本構成に基づく本発明の第１の実施形態について説明する。
第１の実施形態では、ずらし量特性関数算出部１０４が算出するずらし量特性関数が、画面中央からの２次元平面上の距離ｒの２次関数ｆ２（ｒ）で与えられる。

受光部１２０２の２次元アレイ（図１４（ｄ）参照）において、画面の或る点＝画面の中心を原点として、各画素の受光部１２０２（図１２参照）の中心までの２次元アレイ平面上の距離をｒ、水平方向の距離をｘ、垂直方向の距離をｙとしたときに、下記（１）式が成り立つ。

ｒ＝√（ｘ² ＋ｙ² ）・・・（１）

ここで「√」は、それに続く括弧内の数値の平方根演算を表す。これより、ｒ方向、ｘ方向、ｙ方向の各ずらし量ｄｒ、ｄｘ、ｄｙは、下記（２）式で計算される。

ｄｒ＝ ｆ2(r) ＝ ａ×ｒ² ＋ｂ×ｒ
ｄｘ＝ ｄｒ×ｘ／ｒ＝（ａ×ｒ＋ｂ）×ｘ
ｄｙ＝ ｄｒ×ｙ／ｒ＝（ａ×ｒ＋ｂ）×ｙ
・・・（２）

第１の実施形態では、図１のＣＲＡサンプル点取得部１０２は、ＣＲＡ特性値１０１として、例えば図２（ａ）に示されるような特性を有するサンプル点群を入力し、そのうち画面中央付近で入射角が像高に対して単調に増加する部分のサンプル点２０１ａと画面端に対応する部分のサンプル点２０２ａの２点をサンプル点１０６として取得する。

次に、サンプル点ずらし量算出部１０３は、上記２つのサンプル点２０１ａ及び２０２ａについて、集光率（図２（ｃ）の２０１ｃ及び２０２ｃ）が最大となるサンプル点ずらし量１０７として、図２（ｂ）に示される２点２０１ｂ及び２０２ｂを求める。

続いて、ずらし量特性関数算出部１０４は、上記２点のサンプル点ずらし量２０１ｂ及び２０２ｂと原点（画面中央）とに基づいて、前述の（２）式に示される２次関数で近似されるずらし量特性関数１０８として、図２（ｂ）に示される２次関数特性２０３を、例えば最小二乗法によって算出し、（２）式の係数ａ及びｂを決定する。

そして、ずらし量算出部１０５は、決定された（２）式を用いて、固体撮像素子における各画素（座標値＝（ｘ，ｙ））を構成するずらし量（ｄｒ、ｄｘ、ｄｙ）を算出する。
以上のようにして、第１の実施形態では、２次関数を用いることによって、図２（ａ）及び（ｂ）に示されるように、画面中央付近で入射角が像高に対して単調に増加する部分２０１ａと画面端２０２ａのそれぞれに対応する、２箇所のずらし量２０１ｂ及び２０２ｂを最適化でき、これによって、シェーディング特性を、従来の図１７（ｃ２）に示されるようなものに比較して、図２（ｃ）に示されるように改善することができる。

本発明の第２の実施形態
次に、図１の基本構成に基づく本発明の第２の実施形態について説明する。
第２の実施形態では、ずらし量特性関数算出部１０４が算出するずらし量特性関数が、画面中央からの２次元平面上の距離ｒの３次関数ｆ３（ｒ）で与えられる。

第２の実施形態におけるｒ方向、ｘ方向、ｙ方向の各ずらし量ｄｒ、ｄｘ、ｄｙは、下記（３）式で計算される。

ｄｒ＝ ｆ3(r) ＝ ａ×ｒ³ ＋ｂ×ｒ² ＋ｃ×ｒ
ｄｘ＝ ｄｒ×ｘ／ｒ＝（ａ×ｒ² ＋ｂ×ｒ＋ｃ）×ｘ
ｄｙ＝ ｄｒ×ｙ／ｒ＝（ａ×ｒ² ＋ｂ×ｒ＋ｃ）×ｙ
・・・（３）

第２の実施形態では、図１のＣＲＡサンプル点取得部１０２は、ＣＲＡ特性値１０１として、例えば図３（ａ）に示されるような特性を有するサンプル点群を入力し、そのうち画面中央付近で入射角が像高に対して単調に増加する部分のサンプル点３０１ａと画面端に対応する部分のサンプル点３０２ａと、これに加えて、像高の途中から徐々に曲がるサンプル点３０３ａの、計３点をサンプル点１０６として取得する。

次に、サンプル点ずらし量算出部１０３は、上記３つのサンプル点３０１ａ、３０２ａ、及び３０３ａについて、集光率（図３（ｃ）の３０１ｃ、３０２ｃ、及び３０３ｃ）が最大となるサンプル点ずらし量１０７として、図３（ｂ）に示される３点３０１ｂ、３０２ｂ、及び３０３ｂを求める。

続いて、ずらし量特性関数算出部１０４は、上記３点のサンプル点ずらし量３０１ｂ、３０２ｂ、及び３０３ｂと原点（画面中央）とに基づいて、前述の（３）式に示される３次関数で近似されるずらし量特性関数１０８として、図３（ｂ）に示される３次関数特性３０４を、例えば最小二乗法によって算出し、（３）式の係数ａ、ｂ、及びｃを決定する。

そして、ずらし量算出部１０５は、決定された（３）式を用いて、固体撮像素子における各画素（座標値＝（ｘ，ｙ））を構成するずらし量（ｄｒ、ｄｘ、ｄｙ）を算出する。
以上のようにして、第２の実施形態では、３次関数を用いることによって、像高の途中の領域がスムーズにつながり、シェーディング特性をより改善できる。

本発明の第３の実施形態
次に、図１の基本構成に基づく本発明の第３の実施形態について説明する。
第３の実施形態では、ずらし量特性関数算出部１０４が算出するずらし量特性関数が、画面中央からの２次元平面上の距離ｒの４次関数で与えられる。

ここで一般に、固体撮像素子を構成する画素１３０１においては、図１３に示されるように、受光部１２０２の開口形状が、ｘ方向（紙面右方向）で長く、ｙ方向（紙面上方向）で短い長方形となっている。

このような形状において、ｙ座標軸に沿う方向に画素１３０１の断面を見た場合（後述する図６のＡ方向と同じ方向）、受光部１２０２の幅は狭く見えるため、図５（ａ）に示されるように、受光部１２０２に当たる入射光１２０４ａのスポットは、入射側に近い第２の配線層５０２の上層端５０３ａと、入射側と反対側の受光部端５０４ａにより制限され、マイクロレンズ１２０１を含む集光部１２１０のy座標軸に沿った方向のずらし量１２０９ａは、大きくとる必要がある。

これに対して、x座標軸に沿う方向に画素１３０１の断面を見た場合（後述する図６のＢ方向と同じ方向）、受光部１２０２の幅は広く見えるため、図５（ｂ）に示されるように、受光部１２０２に当たる入射光１２０４ｂのスポットは、入射側に近い第１の配線層５０１の上層端５０３ｂと、入射側と反対側の第１の配線層５０１の下層端５０３ｂにより制限され、マイクロレンズ１２０１を含む集光部１２１０のｘ座標軸に沿った方向のずらし量１２０９ｂは、小さくてよい。

なお、図５では、図１２で示したＯＣＦ（オンチップカラーフィルタ）１２０３は省略されている。
以上を踏まえて、第３の実施形態では、受光部１２０２（図１２参照）の開口がｘ方向とｙ方向とで異なることを考慮し、それぞれの方向のずらし量１２０９を、異なる４次関数ｆ４−１（ｒ）とｆ４−２（ｒ）で近似する。

ｄｒ1＝ ｆ4-1(r) ＝ ａ1×ｒ⁴ ＋ｂ1×ｒ³ ＋ｃ1×ｒ² ＋ｄ1×ｒ
ｄｒ2＝ ｆ4-2(r) ＝ ａ2×ｒ⁴ ＋ｂ2×ｒ³ ＋ｃ2×ｒ² ＋ｄ2×ｒ
ｄｘ＝ ｄｒ1×ｘ／ｒ＝（ａ1×ｒ³ ＋ｂ1×ｒ² ＋ｃ1×ｒ＋ｄ1）×ｘ
ｄｙ＝ ｄｒ2×ｙ／ｒ＝（ａ2×ｒ³ ＋ｂ2×ｒ² ＋ｃ2×ｒ＋ｄ2）×ｙ
・・・（４）

第３の実施形態では、図１のＣＲＡサンプル点取得部１０２は、ＣＲＡ特性値１０１として、例えば（ａ）に示されるような特性を有するサンプル点群を入力し、そのうち画面中央付近で入射角が像高に対して単調に増加する部分のサンプル点４０１ａと画面端に対応する部分のサンプル点４０２ａと、これに加えて、像高の途中から徐々に曲がる２箇所のサンプル点４０３ａ及び４０４ａの、計４点をサンプル点１０６として取得する。

次に、サンプル点ずらし量算出部１０３は、上記４つのサンプル点４０１ａ、４０２ａ、４０３ａ、及び４０４ａについて、集光率（図４（ｃ）の４０１ｃ、４０２ｃ、４０３ｃ、及び４０４ｃ）が最大となるサンプル点ずらし量１０７として、ｘ方向及びｙ方向別に、図４（ｂ）に示される各４点４０１−１ｂ、４０２−１ｂ、４０３−１ｂ、及び４０４−１ｂ（以上、ｘ方向）、及び４０１−２ｂ、４０２−２ｂ、４０３−２ｂ、及び４０４−２ｂ（以上、ｙ方向）を求める。

続いて、ずらし量特性関数算出部１０４は、上記ｘ方向４点のサンプル点ずらし量４０１−１ｂ、４０２−１ｂ、４０３−１ｂ、及び４０４−１ｂと原点（画面中央）とに基づいて、前述の（４）式のｄｒ１及びｄｘ、及び図４（ｂ）の４０５−１として示される４次関数で近似されるずらし量特性関数１０８を、また、上記ｙ方向４点のサンプル点ずらし量４０１−２ｂ、４０２−２ｂ、４０３−２ｂ、及び４０４−２ｂと原点（画面中央）とに基づいて、前述の（４）式のｄｒ２及びｄｙ、及び図４（ｂ）の４０５−２として示される４次関数で近似されるずらし量特性関数１０８を、それぞれ、例えば最小二乗法によって算出し、（４）式の係数ａ１、ｂ１、ｃ１、ｄ１、及びａ２、ｂ２、ｃ２、ｄ２を決定する。

そして、ずらし量算出部１０５は、決定された（４）式を用いて、固体撮像素子における各画素（座標値＝（ｘ，ｙ））を構成するｘ方向ずらし量（ｄｒ１、ｄｘ）及びｙ方向ずらし量（ｄｒ２、ｄｙ）を算出する。

以上のようにして、第３の実施形態では、４次関数をｘ方向及びｙ方向個別に用いることによって、より最適なシェーディング特性を得られる。特に画面端付近にてＣＲＡ特性がほぼ水平になる特性の場合、４次関数が必要となり、これによってシェーディング特性を改善できる。

本発明の第４の実施形態
次に、図１の基本構成に基づく本発明の第４の実施形態について説明する。
第４の実施形態では、第３の実施形態の場合と同様に、ずらし量特性関数算出部１０４が算出するずらし量特性関数が、画面中央からの２次元平面上の距離ｒの４次関数で与えられる。

また、第４の実施形態では、固体撮像素子を構成する画素１３０１において、図６に示されるように、まず受光部１２０２の開口形状が、第３の実施形態の場合と同様に、ｘ座標軸方向で長く、ｙ座標軸方向で短い長方形となっている。更に、第４の実施形態では、受光部１２０２の上部の層間絶縁膜１２０６（図１２参照）内には、図６に示されるように、ｙ座標軸方向に第１の配線層６０１が配置され、その上部にｘ座標軸方向に第２の配線層６０２とが配置されている。

このような形状において、図６のＡ方向に画素１３０１の断面を見た場合、受光部１２
０２の幅が狭い上に、第２の配線層６０２の位置が高い（マイクロレンズ１２０１に近い）ために、図７（ａ）の入射光１２０４ａと遮光位置７０１ａ及び７０２ａの関係からわかるように、第２の配線層６０２にケラレル入射光１２０４ａの割合が大きくなり、画素１３０１の開口が狭くなる。

一方、図６のＢ方向に画素１３０１の断面を見た場合、受光部１２０２の幅が広い上に、第１の配線層６０１の位置が低い（受光部１２０２に近い）ために、図７（ｂ）の入射光１２０４ｂと遮光位置７０１ｂ及び７０２ｂの関係からわかるように、第１の配線層５０１にケラレル入射光１２０４ｂの割合が小さく、画素１３０１の開口が広くなる。

もう少し厳密にｘ軸端の集光率を考えると、ｘ方向に入射する入射角が大きいが、受光部１２０２の平面図上の寸法がｘ軸方向に長いので、幅の広いフォトダイオードに入る光の率は中央に比べてさほど下がらず、多少入射角が変わっても、集光率はわずかに下がるだけで、高い値のままである。このように、受光部１２０２の平面図上の寸法が長いｘ方向に入射する光に対しては、入射角が多少変わって、集光率はあまり変わらない。

次に、ｙ軸端の集光率を考えると、受光部１２０２の平面図上の寸法がｙ軸方向に短いので、ｙ方向に入射する角度がさほど大きくなくても、幅の狭いフォトダイオードに入射する光の率は小さくて、集光率は低い。また、入射角が増えるに従って、図７（ａ）で説明したように、第２の配線層６０２などで光がケラレルために、集光率が低くなる。このように、受光部１２０２の平面図上の寸法が短いｙ方向に入射する光に対しては、入射角が増えると集光率は下がり、逆に、入射角が小さくなると集光率は良くなる。

以上より、ｘ軸端よりｙ軸端の方が集光率が低い、すなわち画像としてみると暗い。これは仕方がないし、画質としても特に異常ではない。また、デジタル回路などよるプロセッサによって、ｙ軸方向の輝度を調整することも可能である。

問題となるのは、対角方向などｘ軸、ｙ軸上以外の場所、端的な例として、画面の対角端（四隅）である。今、

・画面サイズのｘ，ｙ比を４：３
・ＩｍａｇｅＨｅｉｇｈｔ＝１００％（画面内の対角端）における
入射角(対角方向)＝２５°、
・ＩｍａｇｅＨｅｉｇｈｔ＝８０％（画面内のｘ軸端）における
入射角(ｘ軸方向)＝２４°、
・ＩｍａｇｅＨｅｉｇｈｔ＝６０％（画面内のｙ軸端）における
入射角(ｙ軸方向)＝２２°

として、入射角をｘ軸方向、ｙ軸方向の成分に分けると、

・対角端のｘ軸方向入射角 ：tan^-1(tan２５°×４／√(３² ＋４² ))=２０．５°
・対角端のｙ軸方向入射角 ：tan^-1(tan２５°×４／√(３² ＋４² ))=１５．６°

となる。

まず、ｘ方向に入射する角度を考えると、ｘ方向の入射角は２０．５°と大きいが、前述のｘ軸端の集光率と比べると、幅の広いフォトダイオードに入射する光の率はあまりかわらず、集光率はあまり低下しない。

次に、ｙ方向に入射する角度を考えると、ｙ方向に入射する角度は１５．６°であり、
前述のｙ軸端におけるｙ軸方向入射角２２°より小さい。前述したように、受光部１２０２の平面図上の寸法が短いｙ方向に入射する光に対しては、入射角が小さくなると集光率は良くなる。

従って、図８（ａ）に示されるように、ｙ軸端（図中、８０２）に比べて対角端（図中、８０３）の方が集光率が高く、ｘ軸端（図中、８０２）は両者の中間、という現象が生じる。

その結果、第３の実施形態の場合の（４）式でそのままｘ方向、ｙ方向のずらし量１２０９が計算された場合、図８（ｂ）に示されるように、一様な画面を撮影したときの画像の出力コードを等高線で示すと、ｙ軸方向だけくびれ（８０４）、対角とｘ軸に延びた、瓢箪（ひょうたん）のような異常なシェーディング特性になり、カメラとして使うには異常な画像となって、使えないと言う問題が生じる。

そこで、第４の実施形態では、図９（ａ）の９０１に示されるように、受光部１２０２の幅が長いｘ方向に沿って、ｘ座標が大きいところで出力コード値が下がるように、前述の（４）式のｙ方向ずらし量ｄｙに対して、補正係数が乗算される。

これにより、図９（ａ）に示されるように、図８（ａ）の場合に比較して、ｘ方向９０１及び対角方向９０２の特性がｙ方向９０３の特性に近づき、図９（ｂ）の９０４に示されるように、画像の出力コードの等高線は、ｙ軸上で中央に向かってくびれてしまう不自然な特性が防止されて、同心楕円の形状を有する自然なシェーディング特性が得られる。

上述の補正係数としては例えば、一定の係数ｅを用いて、（１＋ｅ×ｘ² ）が採用され、この結果、前述の（４）式が修正された次式が得られる。

ｄｒ1＝ｆ4-1(r) ＝ａ1×ｒ⁴ ＋ｂ1×ｒ³ ＋ｃ1×ｒ² ＋ｄ1×ｒ
ｄｒ2＝ｆ4-2(r) ＝ａ2×ｒ⁴ ＋ｂ2×ｒ³ ＋ｃ2×ｒ² ＋ｄ2×ｒ
ｄｘ＝ｄｒ1×ｘ／ｒ＝（ａ1×ｒ³ ＋ｂ1×ｒ² ＋ｃ1×ｒ＋ｄ1）×ｘ
ｄｙ＝ｄｒ2×ｙ／ｒ＝（ａ2×ｒ³ ＋ｂ2×ｒ² ＋ｃ2×ｒ＋ｄ2）×ｙ×（１＋ｅ×ｘ² ）
・・・（５）

補正係数（１＋ｅ×ｘ² ）の考え方は、以下の通りである。即ち、
１）ｙ軸方向は集光率は受光部１２０２に対して最大となるように最適化
してあるので、そのままとする。
２）ｘ軸方向に沿ってｙ軸から遠ざかると、入射角のｙ軸方向成分は小さく
なるので、集光率が上がってしまう。このため、これを下げるように、
ずらし量１２０９を、最適化した値から遠ざける。

上記１）２）の要件を満たすものとして、（５）式では、
「ｘ座標＝０で１となり、ｘ座標の２乗の関数で上がってゆく補正係数
：（１＋ｅ×ｘ² ）」
を用いた。

上記１）２）の要件を満たすものであれば、受光部１２０２の短辺に沿った方向（ｙ方向）のずらし量１２０９について、受光部１２０２の２次元アレイの中央から受光部１２０２の長辺方向（ｘ方向）に遠ざかるに従って、補正量を大きくするのであれば、
（１＋ｅ×ｘ⁴ ）
1÷（１＋ｅ×ｘ⁴ ）
等でも同じように効果がある。
（１＋ｅ×｜ｘ|¹ ）
（１＋ｅ×｜ｘ|³ ）
などのように、次数を奇数にしても構わないが、ｘ軸の正方向と負方向とで対称になるように絶対値化することが望ましい。

第４の実施形態では、図１のＣＲＡサンプル点取得部１０２は、ＣＲＡ特性値１０１として、ｘ軸上で４点からなるサンプル点群をサンプル点１０６として取得する。次に、サンプル点ずらし量算出部１０３は、上記４点のサンプル点群について、集光率が最大となる４点からなるｘ方向のサンプル点ずらし量１０７を求める。続いて、ずらし量特性関数算出部１０４は、上記ｘ方向４点のサンプル点ずらし量と原点（画面中央）とに基づいて、前述の（５）式のｄｒ１及びｄｘを、例えば最小二乗法によって算出し、（５）式の係数ａ１、ｂ１、ｃ１、ｄ１を決定する。

同様に、図１のＣＲＡサンプル点取得部１０２は、ＣＲＡ特性値１０１として、ｙ軸上で４点からなるサンプル点群をサンプル点１０６として取得する。次に、サンプル点ずらし量算出部１０３は、上記４点のサンプル点群について、集光率が最大となる４点からなるｙ方向のサンプル点ずらし量１０７を求める。続いて、ずらし量特性関数算出部１０４は、上記ｙ方向４点のサンプル点ずらし量と原点（画面中央）とに基づいて、前述の（５）式のｄｒ２及びｄｙを、例えば最小二乗法によって算出し、（５）式の係数ａ２、ｂ２、ｃ２、ｄ２を決定する。

そして、ずらし量算出部１０５は、決定された（５）式を用いて、固体撮像素子における各画素（座標値＝（ｘ，ｙ））を構成するｘ方向ずらし量（ｄｒ１、ｄｘ）及びｙ方向ずらし量（ｄｒ２、ｄｙ）を算出する。

以上のようにして、第４の実施形態では、４次関数をｘ方向及びｙ方向個別に用いると共に、補正係数（１＋ｅ×ｘ² ）を導入することによって、より最適なシェーディング特性を得られる。

上述した第４の実施形態では、受光部１２０２の２次元アレイ方向として、長方形を例に、短辺・長辺という表現を使ったが、長方形に限らず、楕円や、六角形、八角形、一部突起のある凸型など他の図形でも、受光部１２０２の平面寸法が、ｘｙ方向で異なる場合も、短辺・長辺を受光部１２０２寸法の短い方向、長い方向との意味と定義すれば同様に説明できる。

本発明の第５の実施形態
次に、図１の基本構成に基づく本発明の第５の実施形態について説明する。
ＣＭＯＳイメージセンサでは、図１０に示されるように、画素内に受光部（ＰＤ）以外に、転送（ＴＧ）、リセット（ＲＳＴ）、増幅用ソースフォロア（ＳＦ）、行選択（ＳＬＣ）といったトランジスタがある。なお、ＭＬは、マイクロレンズである。

１画素の受光部（ＰＤ）あたりの面積をできる限り多くするために、リセット（ＲＳＴ）、増幅用ソースフォロア（ＳＦ）、行選択（ＳＬＣ）のトランジスタを複数の画素で共用することがしばしば行われ、この場合、受光部（ＰＤ）のレイアウトが必ずしも等間隔になるとは限らない。

図１０に示される第５の実施形態は、４画素でトランジスタを共有するＣＭＯＳセンサ
の例である。４行に１箇所受光部（ＰＤ）の間隔が大きくなっており、４行で周期的に繰り返す構造となっている。この場合でも、マイクロレンズのずらし量１２０９は第４の実施形態における（５）式と同じ式で計算できる。即ち、各画素の受光部（ＰＤ）の中心座標ｘ、ｙを用いて、ずらし量ｄｘ、ｄｙが同じ式で算出される。

本発明の第６の実施形態
次に、図１の基本構成に基づく本発明の第６の実施形態について説明する。
第６の実施形態では、図１１（ａ）に示されるように、オンチップカラーフィルタ（ＯＣＦ）１２０３のずらし量１１０２はマイクロレンズ（ＭＬ）１２０１のずらし量１１０１と同一とされる。

マイクロレンズ１２０１のずらし量１１０１をレンズのＣＲＡ特性に合わせることにより、シェーディング特性が改善されるが、マイクロレンズ１２０１の境界部の光が隣接画素のＯＣＦ１２０３に混入することによって発生する混色を防止するために、ＯＣＦ１２０３もマイクロレンズ１２０１のずらし量１１０１に伴ってずらすことが必要である。よって、第６の実施形態では、マイクロレンズ１２０１のずらし量１１０１とＯＣＦ１２０３のずらし量１１０２が、境界面にて一致させる主旨で、同じずらし量に設定される。

このようにすれば、マイクロレンズ１２０１の中央及び大部分の領域を通過した入射光１２０４（＃１）は、そのまま直下のＯＣＦ１２０３と層間絶縁膜１２０６を経て受光部１２０２に入射し、一方、マイクロレンズ１２０１の周辺部を通過した入射光１２０４（＃２）は、ＯＣＦ１２０３層を通過する際に、隣接画素の色の異なるＯＣＦ１２０３に入るものもあるが、配線層１２０７に当たって止まるか反射される等によって、受光部１２０２には届かない。以上によって、混色を防げる。

本発明の第７の実施形態
最後に、図１の基本構成に基づく本発明の第７の実施形態について説明する。
第７の実施形態では、ＯＣＦ１２０３について、そのずらし量１２０９を決める関数の係数を、マイクロレンズ１２０１の場合と変更されるものである。

特に、ＯＣＦ１２０３の厚さが厚い場合には、隣接画素のＯＣＦ１２０３との境界を斜めに横切る入射光が多いことから、入射光がＯＣＦ１２０３の厚さ方向の中央を通るようにするために、ＯＣＦ１２０３のずらし量１２０９が、マイクロレンズ１２０１のずらし量１２０９より小さくされる。

図１１（ｂ）に示されるように、マイクロレンズ１２０１の周辺部を通過した入射光１２０４（＃２）は、ＯＣＦ１２０３層を通過する際に、隣接画素の色の異なるＯＣＦ１２０３に入るものもあるが、配線層１２０７に当たって止まるか反射される等によって、受光部１２０２には届かない。以上によって、混色を防げる。

具体的には、ＯＣＦ１２０３の層厚を考慮して、ＯＣＦ１２０３のずらし量１１０２が、マイクロレンズ１２０１のずらし量１１０１に対して定数倍される。
あるいは、ＯＣＦ１２０３に対しても、マイクロレンズ１２０１と同様に光学シミュレーションを行って光線がかからないようにしてずらし量１１０２が算出され、（５）式等と同様の式にてａ１〜ｄ１，ａ２〜ｄ２，ｅなどの係数が、マイクロレンズ１２０１のずらし量１１０１の場合とは別に算出されてもよい。

本発明の第１〜第７の実施形態に対する補足
以上説明した各実施形態では、固体撮像素子としてＣＭＯＳセンサを用いた例について説明したが、ＭＯＳ型センサやＣＣＤ（Ｃｈａｒｇｅ Ｃｏｕｐｌｅｄ Ｄｅｖｉｃｅ）
、ＣＭＤ（Ｃｈａｒｇｅ Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ Ｄｅｖｉｃｅ）などの他の固体撮像素子を用いた場合でも、本発明を同様に適用することが可能である。

また、以上説明した各実施形態は、集光部（マイクロレンズ）又はオンチップカラーフィルタのずらし量を算出する装置として本発明を実施した場合について説明したが、もちろんこれによって製造され上述したずらし量の特性を有する固体撮像装置、及びそのような固体撮像装置が組み込まれたデジタルカメラや携帯電話機等も、本発明の権利範囲である。

本発明の各実施形態に共通の基本機能ブロック図である。 本発明の第１の実施形態における撮像レンズのＣＲＡ特性、ずらし量特性、及びシェーディング特性の例を示す図である。 本発明の第２の実施形態における撮像レンズのＣＲＡ特性、ずらし量特性、及びシェーディング特性の例を示す図である。 本発明の第３の実施形態における撮像レンズのＣＲＡ特性、ずらし量特性、及びシェーディング特性の例を示す図である。 本発明の第３の実施形態の説明図である。 本発明の第４の実施形態における画素の構成図である。 本発明の第４の実施形態の説明図（その１）である。 本発明の第４の実施形態の説明図（その２）である。 本発明の第４の実施形態の説明図（その３）である。 本発明の第５の実施形態における画素の構成図である。 本発明の第６の実施形態及び第７の実施形態の説明図である。 固体撮像素子の基本構成図（その１）である。 固体撮像素子の基本構成図（その２）である。 固体撮像素子の基本構成図（その３）である。 従来の撮像レンズのずらし量特性の例を示す図である。 従来の撮像レンズのＣＲＡ特性、ずらし量特性、シェーディング特性の例を示す図（その１）である。 従来の撮像レンズのＣＲＡ特性、ずらし量特性、シェーディング特性の例を示す図（その２）である。

符号の説明

１０１ ＣＲＡ特性値
１０２ ＣＲＡサンプル点取得部
１０３ サンプル点ずらし量算出部
１０４ ずらし量特性関数算出部
１０５ ずらし量算出部
１０６ サンプル点
１０７ サンプル点ずらし量
１０８ ずらし量特性関数
５０１、６０１ 第１の配線層
５０２、６０２ 第２の配線層
８０１、９０１ ｘ方向
８０２、９０２ ｙ方向
８０３、９０３ 対角方向
１１０１ マイクロレンズ（ＭＬ）ずらし量
１１０２ オンチップカラーフィルタ（ＯＣＦ）ずらし量
１２０１ マイクロレンズ
１２０２ 受光部
１２０３ オンチップカラーフィルタ（ＯＣＦ）
１２０４ 入射光
１２０５ 撮像レンズ
１２０６ 層間絶縁膜
１２０７ 配線層
１２０８ シリコン（Ｓｉ）基板
１２０９ ずらし量
１３０１ 画素

Claims (10)

1. 画像撮像素子を構成する各画素内に配置される各受光素子と、該各受光素子に前記画像撮像素子と共に用いられる撮像レンズからの入射光を集光するために該各画素上に配置される各マイクロレンズとのずらし量を算出するための方法であって、
   前記画像撮像素子内での前記各画素の配置位置と該各画素への前記入射光の各入射角との関係を示す入射角特性値を取得する第１のステップと、
   前記入射角特性値について、該各値に対応する前記各画素に配置される前記各受光素子と前記各マイクロレンズとの各ずらし量を、前記各受光素子での前記入射光の各集光率に基づき算出する第２のステップと、
   前記各画素について、前記各配置位置と前記各ずらし量との関係を示すずらし量特性関数を、前記入射角特性値に対応する前記各ずらし量を用いて２次以上の多次関数によって近似して算出する第３のステップと、
   該ずらし量特性関数を用いて、前記各画素における前記各ずらし量を算出する第４のステップと、
   を含むことを特徴とする画像撮像素子のずらし量算出方法。
2. 前記第３のステップは、前記受光素子の横幅方向と縦幅方向のそれぞれについて前記ずらし量特性関数を算出するステップを含み、
   前記第４のステップは、前記受光素子の横幅方向と縦幅方向のそれぞれについて算出された前記各ずらし量特性関数を用いて、前記横幅方向のずらし量と前記縦幅方向のずらし量をそれぞれ算出するステップを含む、
   ことを特徴とする請求項１に記載の画像撮像素子のずらし量算出方法。
3. 前記受光素子の横幅方向と縦幅方向のそれぞれについて算出される前記各ずらし量特性関数の何れか一方又は両方は、前記多次関数によって近似される項と前記受光素子の横幅方向位置又は縦幅方向位置に応じて補正を行う補正項とを含む、
   ことを特徴とする請求項２に記載の画像撮像素子のずらし量算出方法。
4. 前記各画素上に前記各マイクロレンズに近接して配置されるオンチップカラーフィルタの前記各受光素子に対するずらし量を、前記マイクロレンズと同じ量になるように算出するステップを更に含む、
   ことを特徴とする請求項１乃至３の何れか１項に記載の画像撮像素子のずらし量算出方法。
5. 前記各画素上に前記各マイクロレンズに近接して配置されるオンチップカラーフィルタの前記各受光素子に対するずらし量を、前記マイクロレンズに対して所定の関係になるように算出するステップを更に含む、
   ことを特徴とする請求項１乃至４の何れか１項に記載の画像撮像素子のずらし量算出方法。
6. 撮像レンズからの入射光を受光素子によって受光して画像信号に変換する画像撮像素子であって、
   前記受光素子に前記撮像レンズからの入射光を集光するマイクロレンズを含み、
   該マイクロレンズは、前記受光素子の位置から、前記画像撮像素子内での前記受光素子の配置位置と該受光素子への前記入射光の入射角との関係を示す入射角特性によりずらされている、
   ことを特徴とする画像撮像素子。
7. 撮像レンズからの入射光をアレイ状に配列された複数の受光素子によってそれぞれ受光
   して画像信号に変換する画像撮像素子であって、
   前記各受光素子に前記撮像レンズからの入射光をそれぞれ集光する複数のマイクロレンズを含み、
   該各マイクロレンズは、前記各受光素子の位置からのずれ量が、前記画像撮像素子内での前記各受光素子の配置位置に対して２次以上の関数値となっている、
   ことをを特徴とする画像撮像素子。
8. 請求項６又は７の何れかに記載の画像撮像素子を内蔵する携帯情報装置。
9. 請求項１乃至５の何れかに記載の方法によって前記ずらし量が設定された画層撮像素子。
10. 請求項１乃至５の何れかに記載の方法によって前記ずらし量が設定された画層撮像素子を内蔵する画像撮像装置。