JP5272433B2 - 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
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Description
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。
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)。
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。
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。
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。
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。
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)
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。
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。
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)
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。
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。
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)
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。
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。
・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。
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。
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)
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。
「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。
(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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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 (5)
- 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、
前記撮像レンズは、撮像画面内における主光線入射角特性(CRA特性)が、画面中央から周辺に向かって非線形に変化する特性を有しており、
前記方法は、
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、
前記各画素毎に、前記各受光素子の第1の方向について、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第1の4次関数によって近似して算出し、前記第1の方向に垂直な第2の方向について、第2の4次関数によって近似される項と前記各受光素子の第1の方向位置が画面中央から離れるに従って大きくなる補正項とを含み、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前記第2の4次関数によって近似して算出する第3のステップと、
前記第1の方向と前記第2の方向のそれぞれについて算出されたずらし量特性関数を用いて、前記各画素における前記第1の方向のずらし量と前記第2の方向のずらし量をそれぞれ算出する第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。 - 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に記載の画像撮像素子のずらし量算出方法。 - 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又は2に記載の画像撮像素子のずらし量算出方法。 - 請求項1乃至3の何れか1項に記載のずらし量算出方法によって前記ずらし量が設定された画像撮像素子。
- 請求項1乃至3の何れか1項に記載のずらし量算出方法によって前記ずらし量が設定された画像撮像素子を内蔵する画像撮像装置。
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