JP2015177257A - 固体撮像装置 - Google Patents

Abstract

【課題】混色の影響を抑制可能とする固体撮像装置を提供すること。
【解決手段】実施形態によれば、固体撮像装置は、混色補正部を有する。混色補正部は、出力特性調整部である出力特性調整回路２２、及び係数保持部であるＯＴＰ２５を備える。出力特性調整部は、出力特性を調整する。出力特性は、色成分ごとにおける信号出力のレベルと波長との関係を表す。係数保持部は、混色補正係数及び色感度差補正係数を保持する。混色補正係数は、混色補正のための係数である。色感度差補正係数は、イメージセンサにおける色成分同士の感度差を補正する。係数保持部は、像高ごとに設定された色感度差補正係数を保持する。出力特性調整部は、混色補正係数と、像高ごとの色感度差補正係数を係数保持部から読み出す。出力特性調整部は、読み出された色感度差補正係数に応じた感度差の補正と、混色補正係数を使用する出力特性の調整とを実施する。
【選択図】図３

Description

本実施形態は、固体撮像装置に関する。

近年、カメラモジュールの低背化が進められるに従い、カメラモジュールの撮像レンズからイメージセンサへ入射する主光線の傾きが大きくなる傾向にある。イメージセンサでは、対角端に近い位置ほど、主光線の傾きが顕著となる。イメージセンサへ斜めに入射する光が増加するほど、本来受光されるべき画素から隣接する画素への光の漏れ出しが多く生じることとなる。また、画素の境界付近に光が集まることで、光電変換を経て生じた電子が境界を越えて、隣接する画素へ漏れ出ることにもなる。このような隣接する画素同士での光学的及び電気的クロストークは、混色とも称され、色再現性を低下させる原因となる。

イメージセンサでの入射角の傾きを軽減させる手法としては、例えば、画素上のマイクロレンズの位置を調整するスケーリング技術による入射角補正、画素上のカラーフィルタの薄膜化などがある。近年のカメラモジュールの低背化に対して、これらの手法では、イメージセンサでの入射角の傾きを十分に補正することが困難となっている。さらに、カラーフィルタの薄膜化が進められるほど、光が顔料成分を通過する距離が短くなるため、カラーフィルタへ吸収させるべき色光を多く透過させてしまうことにもなる。固体撮像装置は、イメージセンサで発生する混色の影響を抑制できることが望まれている。

特開２０１２−１６９８３０号公報

一つの実施形態は、混色の影響を抑制可能とする固体撮像装置を提供することを目的とする。

一つの実施形態によれば、固体撮像装置は、イメージセンサ及び混色補正部を有する。イメージセンサは、被写体像を撮像する。イメージセンサには、各色画素が水平方向及び垂直方向へ配列されている。各色画素は、各色成分の光を分担して検出する。混色補正部は、被写体像に対する混色補正を実施する。混色補正部は、出力特性調整部及び係数保持部を備える。出力特性調整部は、出力特性を調整する。出力特性は、色成分ごとにおける信号出力のレベルと波長との関係を表す。係数保持部は、混色補正係数及び色感度差補正係数を保持する。混色補正係数は、混色補正のための係数である。色感度差補正係数は、イメージセンサにおける色成分同士の感度差を補正する。係数保持部は、像高ごとに設定された色感度差補正係数を保持する。出力特性調整部は、混色補正係数と、像高ごとの色感度差補正係数を係数保持部から読み出す。出力特性調整部は、読み出された色感度差補正係数に応じた感度差の補正と、混色補正係数を使用する出力特性の調整とを実施する。

図１は、実施形態にかかる固体撮像装置の概略構成を示すブロック図である。 図２は、固体撮像装置を備えるカメラシステムの概略構成を示すブロック図である。 図３は、混色補正回路の構成を示すブロック図である。 図４は、混色補正前の色成分値の算出例について説明する図である。 図５は、混色補正による出力特性の変化について説明する図である。 図６は、画面内におけるＲ成分とＧ成分との感度差について説明する図である。 図７は、画面内におけるＢ成分とＧ成分との感度差について説明する図である。 図８は、Ｇｒ画素とＧｂ画素との感度差について説明する図である。

以下に添付図面を参照して、実施形態にかかる固体撮像装置を詳細に説明する。なお、この実施形態により本発明が限定されるものではない。

（実施形態）
図１は、実施形態にかかる固体撮像装置の概略構成を示すブロック図である。図２は、固体撮像装置を備えるカメラシステムの概略構成を示すブロック図である。

カメラシステム１は、カメラモジュール２を備える電子機器であって、例えばカメラ付き携帯端末である。カメラシステム１は、カメラ付き携帯端末以外の電子機器、例えば、デジタルスチルカメラ、デジタルビデオカメラ等であっても良い。

カメラシステム１は、カメラモジュール２及び後段処理部３を有する。カメラモジュール２は、撮像光学系４及び固体撮像装置５を有する。後段処理部３は、イメージシグナルプロセッサ（ＩＳＰ）６、記憶部７及び表示部８を有する。

撮像光学系４は、被写体からの光を取り込み、被写体像を結像させる。固体撮像装置５は、被写体像を撮像する。ＩＳＰ６は、固体撮像装置５での撮像により得られた画像信号の信号処理を実施する。記憶部７は、ＩＳＰ６での信号処理を経た画像を格納する。記憶部７は、ユーザの操作等に応じて、表示部８へ画像信号を出力する。

固体撮像装置５は、撮像素子であるイメージセンサ１０と、画像処理装置である信号処理回路１１とを備える。イメージセンサ１０は、被写体像を撮像する。イメージセンサ１０は、例えば、ＣＭＯＳイメージセンサである。イメージセンサ１０は、画素アレイ１２、垂直シフトレジスタ１３、タイミング制御部１４、相関二重サンプリング部（ＣＤＳ）１５、アナログデジタル変換部（ＡＤＣ）１６及びラインメモリ１７を有する。

画素アレイ１２は、イメージセンサ１０の撮像領域に設けられている。画素アレイ１２は、水平方向及び垂直方向へアレイ状に配列された画素を備える。各画素は、光電変換素子であるフォトダイオードを備える。光電変換素子は、入射光量に応じた信号電荷を生成する。各画素は、入射光量に応じた信号電荷を蓄積する。

各画素の入射側には、色配列に応じたカラーフィルタ（図示省略）が設けられている。各画素は、カラーフィルタを透過した色光を検出する。各色成分の光を分担して検出する各色画素は、ベイヤー配列を構成する。

ベイヤー配列は、Ｇｒ、Ｒ、Ｇｂ、Ｂの４画素を単位として構成されている。赤（Ｒ）画素は、赤色成分を検出する。青（Ｂ）画素は、青色成分を検出する。第１緑画素であるＧｒ画素は、緑色成分を検出する緑（Ｇ）画素であって、水平方向においてＲ画素に隣接する。第２緑画素であるＧｂ画素は、緑色成分を検出する緑（Ｇ）画素であって、水平方向においてＢ画素に隣接する。

タイミング制御部１４は、複数の画素からの信号の読み出しを制御する。タイミング制御部１４は、画素アレイ１２の各画素からの信号を読み出すタイミングを指示する垂直同期信号を、垂直シフトレジスタ１３へ供給する。タイミング制御部１４は、ＣＤＳ１５、ＡＤＣ１６及びラインメモリ１７に対し、駆動タイミングを指示するタイミング信号をそれぞれ供給する。

垂直シフトレジスタ１３は、タイミング制御部１４からの垂直同期信号に応じて、画素アレイ１２内の画素を水平ラインごとに選択する。垂直シフトレジスタ１３は、選択された水平ラインの各画素へ読み出し信号を出力する。垂直シフトレジスタ１３から読み出し信号が入力された画素は、蓄積された信号電荷を出力する。画素アレイ１２は、画素からの信号を、垂直信号線を介してＣＤＳ１５へ出力する。

ＣＤＳ１５は、画素アレイ１２からの信号に対し、固定パターンノイズの低減のための相関二重サンプリング処理を行う。ＡＤＣ１６は、アナログ方式の信号をデジタル方式の信号へ変換する。ラインメモリ１７は、ＡＤＣ１６からの信号を蓄積する。イメージセンサ１０は、ラインメモリ１７に蓄積された信号を出力する。

信号処理回路１１は、イメージセンサ１０からの画像信号に対し、各種の信号処理を実施する。信号処理回路１１は、混色補正回路１８を備える。混色補正回路１８は、被写体像に対する混色補正を実施する。

信号処理回路１１は、混色補正以外にも、各種信号処理、例えば、キズ補正、ガンマ補正、ノイズ低減処理、レンズシェーディング補正、ホワイトバランス調整、歪曲補正、解像度復元等を実施する。図１には、信号処理回路１１の構成のうち、混色補正回路１８以外の構成の図示を省略している。

固体撮像装置５は、信号処理回路１１での信号処理を経た画像信号をチップ外部へ出力する。固体撮像装置５は、信号処理回路１１での信号処理を経たデータに基づき、イメージセンサ１０のフィードバック制御を実施する。

カメラシステム１は、本実施形態において信号処理回路１１が実施するものとした各種信号処理の少なくともいずれかを、後段処理部３のＩＳＰ６が実施することとしても良い。カメラシステム１は、各種信号処理の少なくともいずれかを、信号処理回路１１及びＩＳＰ６の双方が実施しても良い。信号処理回路１１及びＩＳＰ６は、本実施形態で説明する信号処理以外の信号処理を実施することとしても良い。例えば、画像処理装置としての機能を備えるＩＳＰ６は、混色補正回路１８を備えていても良い。

図３は、混色補正回路の構成を示すブロック図である。混色補正回路１８は、光学的及び電気的クロストークに対する混色補正を、画像信号への信号処理により実施する。混色補正回路１８は、感度差補正回路２１、出力特性調整回路２２、ノイズリダクション回路２３、ＯＴＰ２４，２５を備える。

感度差補正回路２１は、緑画素感度差補正部である。感度差補正回路２１は、Ｇｒ画素とＧｂ画素との感度差を補正する。出力特性調整回路２２は、出力特性を調整する。出力特性は、Ｒ、Ｂ及びＧの色成分ごとにおける信号出力のレベルと波長との関係を表したものとする。出力特性調整回路２２は、出力特性の調整として、混色補正係数に応じた混色補正を実施する。また、出力特性調整回路２２は、イメージセンサ１０における色成分同士の感度差を、色感度差補正係数に応じて補正する。

ノイズリダクション回路２３は、被写体像に対するノイズ低減処理を実施する。ノイズリダクション回路２３は、主に、出力特性調整回路２２での混色補正に伴って増加するノイズ成分を低減させる機能を備える。

ＯＴＰ（One Time Programmable memory）２４，２５は、係数保持部である。第２係数保持部であるＯＴＰ２４は、Ｇｒ画素とＧｂ画素との間の感度差補正のための緑画素感度差補正係数を保持する。感度差補正回路２１は、ＯＴＰ２４から読み出された緑画素感度差補正係数を使用して、感度差補正を実施する。

第１係数補正部であるＯＴＰ２５は、混色補正のための混色補正係数と、色成分同士の感度差補正のための色感度差補正係数とを保持する。出力特性調整回路２２は、ＯＴＰ２５から読み出された混色補正係数を使用する混色補正と、ＯＴＰ２５から読み出された色感度差補正係数を使用する感度差補正とを実施する。

出力特性調整回路２２は、次に示す式による演算を、混色補正として実施する。混色補正係数は、３×３の係数マトリクスとする。Ａ_ｉｊ（ｉ＝１，２，３、ｊ＝１，２，３，）は補正係数とする。（Ｒ，Ｇ，Ｂ）は、混色補正後の色成分値、（ｒ，ｇ，ｂ）は、混色補正前の色成分値とする。

図４は、混色補正前の色成分値の算出例について説明する図である。出力特性調整回路２２は、各画素における各色成分値を算出する。Ｒ画素における色成分値は、Ｒ画素を中心とする３×３の画素ブロックに含まれる画素の信号値を使用して算出される。色成分値ｒは、中心のＲ画素の信号値ｒ０とする。色成分値ｇは、Ｒ画素の周囲の４つのＧ画素の信号値ｇ１，ｇ２，ｇ３，ｇ４の平均値とする。色成分値ｂは、Ｒ画素の周囲の４つのＢ画素の信号値ｂ１，ｂ２，ｂ３，ｂ４の平均値とする。

Ｇ画素における色成分値は、Ｇ画素を中心とする３×３の画素ブロックに含まれる画素の信号値を使用して算出される。色成分値ｇは、中心のＧ画素の信号値ｇ０とする。色成分値ｒは、Ｇ画素の周囲の２つのＲ画素の信号値ｒ１，ｒ２の平均値とする。色成分値ｂは、Ｇ画素の周囲の２つのＢ画素の信号値ｂ１，ｂ２の平均値とする。

Ｂ画素における色成分値は、Ｂ画素を中心とする３×３の画素ブロックに含まれる画素の信号値を使用して算出される。色成分値ｂは、中心のＢ画素の信号値ｂ０とする。色成分値ｒは、Ｂ画素の周囲の４つのＲ画素の信号値ｒ１，ｒ２，ｒ３，ｒ４の平均値とする。色成分値ｇは、Ｂ画素の周囲の４つのＧ画素の信号値ｇ１，ｇ２，ｇ３，ｇ４の平均値とする。なお、各色成分値を算出する手法は、本実施形態で説明するものに限られない。出力特性調整回路２２は、いずれの手法によって各色成分値を算出しても良い。

図５は、混色補正による出力特性の変化について説明する図である。図示する曲線は、それぞれ各色成分の信号出力と波長との関係をグラフとして表したものである。一点鎖線のグラフは、Ｒ成分の出力特性を表す。破線のグラフは、Ｇ成分の出力特性を表す。実線のグラフは、Ｂ成分の出力特性を表す。

イメージセンサ１０は、混色が生じている場合に、グラフの裾部分として示される波長域における出力が高くなるとともに、グラフのピークにおける出力が低くなるように、出力特性が変化している。出力特性調整回路２２は、混色補正として、このような出力特性の変化を軽減させるための処理を実施する。出力特性調整回路２２は、混色補正を実施することで、グラフの裾部分における出力を低下させるとともに、ピークにおける出力を向上させる。

図６は、画面内におけるＲ成分とＧ成分との感度差について説明する図である。図示する曲面は、Ｇ成分の感度を基準として、Ｒ成分の感度の分布を表している。水平方向は、画面における位置を表している。高さ方向は、感度を表している。Ｇ成分に対するＲ成分の感度は、画面の中心から離れるにしたがって低下している。

図７は、画面内におけるＢ成分とＧ成分との感度差について説明する図である。図示する曲面は、Ｇ成分の感度を基準として、Ｂ成分の感度の分布を表している。Ｇ成分に対するＢ成分の感度は、画面の中心から離れるにしたがって低下している。ただし、Ｇ成分に対しＢ成分の感度が低下する程度は、Ｇ成分に対するＲ成分の感度の場合に比べて少ない。

ＯＴＰ２５は、一組の混色補正係数と、像高ごとに設定された色感度差補正係数のテーブルとを保持している。出力特性調整回路２２は、かかる色感度差補正係数を使用する演算を実施することで、図６及び図７に示されるような色成分同士の感度差を補正する。ＯＴＰ２５は、例えば、像高５％おき、あるいは１０％おきに設定されている色感度差補正係数を保持している。ＯＴＰ２５において像高ごとに設定されている色感度差補正係数は、さらに、色温度ごとにおける設定もなされている。

出力特性調整回路２２は、被写体像の撮像時の色温度と像高とに応じた色感度差補正係数をＯＴＰ２５から読み出す。出力特性調整回路２２は、ＯＴＰ２５から読み出された色感度差補正係数に応じた感度差の補正と、混色補正係数を使用する出力特性の調整とを実施する。

図８は、Ｇｒ画素とＧｂ画素との感度差について説明する図である。図示する曲面は、Ｇｂ画素の感度を基準として、Ｇｒ画素の感度の分布を表している。Ｇｂ画素に対するＧｒ画素の感度は、画面の中心から離れるにしたがって若干低下している。

ＯＴＰ２４は、像高ごとに設定された緑画素感度差補正係数のテーブルを保持している。感度差補正回路２１は、かかる緑画素感度差補正係数を使用する演算を実施することで、図８に示されるようなＧｒ画素とＧｂ画素の感度差を補正する。ＯＴＰ２４は、例えば、像高５％おき、あるいは１０％おきに設定されている緑画素感度差補正係数を保持している。ＯＴＰ２４において像高ごとに設定されている緑画素感度差補正係数は、さらに、色温度ごとにおける設定もなされている。

感度差補正回路２１は、被写体像の撮像時の色温度と像高とに応じた緑画素感度差補正係数をＯＴＰ２４から読み出す。感度差補正回路２１は、ＯＴＰ２４から読み出された緑画素感度差補正係数に応じた感度差の補正を実施する。

イメージセンサ１０は、クロストークによる信号の漏れこみレベルがＧｒ画素とＧｂ画素とにおいて異なることで、Ｇｒ画素とＧｂ画素との信号出力に差が出る場合がある。また、イメージセンサ１０は、画素構造あるいは製造プロセスのばらつきに起因して、Ｇｒ画素とＧｂ画素とに感度差が生じる場合がある。

固体撮像装置５は、Ｇｒ画素とＧｂ画素とにおけるこのような出力差が影響することで、デモザイク処理等の画像処理において格子状のノイズを生じさせることがある。感度差補正回路２１は、このような画質低下の原因となるＧｒ画素とＧｂ画素との感度差を低減させる。

実施形態によると、混色補正回路１８は、出力特性調整回路２２にて、混色補正係数に基づく調整と併せて、色感度差補正係数に基づいて色成分ごとの感度差を補正する。固体撮像装置５は、像高及び色温度に応じて色成分の感度差が調整された出力特性を得ることができる。固体撮像装置５は、高い色再現性が得られるとともに、出力特性のピークにおける感度を向上させることができる。

混色補正回路１８は、感度差補正回路２１にて、緑画素感度差補正係数に基づいて、Ｇｒ画素とＧｂ画素との感度差を補正する。固体撮像装置５は、像高及び色温度に応じてＧｒ画素とＧｂ画素との感度差が調整された出力特性を得ることができる。また、混色補正回路１８は、混色補正に伴って増加するノイズ成分を、ノイズリダクション回路２３に低減させる。

固体撮像装置５は、混色補正回路１８において各色成分の出力特性を改善させることで、画像処理において高い色再現性を得ることができる。以上により、固体撮像装置５は、混色の影響を抑制可能とし、高品質な画像を得ることができるという効果を奏する。

なお、混色補正回路１８は、感度差補正回路２１及びノイズリダクション回路２３をいずれも備えているものに限られない。混色補正回路１８は、Ｇｒ画素とＧｂ画素との感度差を補正不要とする場合、感度差補正回路２１を省略しても良い。混色補正回路１８は、ノイズ低減処理を不要とする場合、ノイズリダクション回路２３を省略しても良い。

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

１０ イメージセンサ、１１ 信号処理回路、１８ 混色補正回路、２１ 感度差補正回路、２２ 出力特性調整回路、２３ ノイズリダクション回路、２４，２５ ＯＴＰ。

Claims (5)

1. 各色成分の光を分担して検出する各色画素が水平方向及び垂直方向へ配列され、被写体像を撮像するイメージセンサと、
   前記被写体像に対する混色補正を実施する混色補正部と、を有し、
   前記混色補正部は、
   色成分ごとにおける信号出力のレベルと波長との関係を表す出力特性を調整する出力特性調整部と、
   前記混色補正のための混色補正係数と、前記イメージセンサにおける前記色成分同士の感度差を補正するための色感度差補正係数とを保持する係数保持部と、を備え、
   前記係数保持部は、像高ごとに設定された前記色感度差補正係数を保持し、
   前記出力特性調整部は、前記混色補正係数と、前記像高ごとの前記色感度差補正係数を前記係数保持部から読み出し、読み出された前記色感度差補正係数に応じた感度差の補正と、前記混色補正係数を使用する前記出力特性の調整とを実施することを特徴とする固体撮像装置。
2. 前記混色補正部は、前記各色画素のうち、前記水平方向において赤画素と隣接する緑画素である第１緑画素と、前記水平方向において青画素と隣接する緑画素である第２緑画素と、の感度差を補正する緑画素感度差補正部を備えることを特徴とする請求項１に記載の固体撮像装置。
3. 前記混色補正部は、前記被写体像に対するノイズ低減処理を実施するノイズリダクション部を備えることを特徴とする請求項１又は２に記載の固体撮像装置。
4. 前記係数保持部は、前記像高ごと、及び色温度ごとに設定された前記色感度差補正係数を保持し、
   前記出力特性調整部は、前記被写体像の撮像時の色温度に応じた、前記像高ごとの前記色感度差補正係数を前記係数保持部から読み出すことを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載の固体撮像装置。
5. 前記混色補正部は、
   前記混色補正係数及び前記色感度差補正係数を保持する前記係数保持部である第１係数保持部と、
   前記第１緑画素と前記第２緑画素との感度差を補正するための緑画素感度差補正係数を保持する第２係数保持部と、を備え、
   前記第２係数保持部は、像高ごとに設定された前記緑画素感度差補正係数を保持し、
   前記緑画素感度差補正部は、前記像高ごとの前記緑画素感度差補正係数を前記第２係数保持部から読み出し、読み出された前記緑画素感度差補正係数に応じた感度差の補正を実施することを特徴とする請求項２に記載の固体撮像装置。

Images