JP5591851B2 - 固体撮像装置および携帯情報端末 - Google Patents
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Description
(カメラモジュールの構成)
第1実施形態による固体撮像装置(以下、カメラモジュール)を図1に示す。第1実施形態の固体撮像装置1は、撮像モジュール部10と、撮像信号プロセッサ(以下、ISP(Image Signal Processor)ともいう)20と、を有する。
また、半導体基板16aには、画素16bの読出し用電極パッド44が設けられ、この電極パッド44の下部には、半導体基板16aを貫通し処理および駆動チップと導通する貫通電極46が形成されている。半導体基板16aは、貫通電極46およびバンプ48を介して処理および駆動チップ50と電気的に接続される。この処理および駆動チップ50には、撮像装置を駆動し読み出された信号を処理する駆動処理回路(撮像回路18)が形成されている。なお、半導体基板16aと処理および駆動チップ50との電気的接続は、貫通電極46を介してだけでなく、処理および駆動チップ40にも電極パット44を設けて、処理および駆動チップ40の電極パット44と半導体基板16aの電極パッド44との間を金属ワイヤー等で結線しても良い。
次に、本実施形態の固体撮像装置1の光学系(虚像光学系)における幾何的光学関係について図3(a)、3(b)を参照して説明する。単純化のため、ここでは結像レンズの光軸近傍の範囲のみを記述する。なお、図3(b)は、図3(a)に示すマイクロレンズの光軸近傍を拡大した図である。図3(a)においては、結像レンズ12は1枚とする。
E=B−C (5)
次に、同一被写体が複数回撮影されているマイクロレンズ画像群から、重複のない2次元画像を再構成する方法について図4(a)乃至4(c)を参照して説明する。この再構成は、例えば、図1に示す信号処理部26において行われる。
図5(a)乃至図5(d)参照して、2次元画像を再構成する画像合成方法を説明する。画像合成の手順を図5(a)に示す。まず、ステップS1において、撮像素子16から複眼RAW画像を取り出す。この複合RAW画像は、撮像素子16から出力された状態の画像であり、その一例を例えば図5(b)に示す。この複合RAW画像に対して、B、G、R画素の信号バランスを調整するホワイトバランス処理を公知の技術を用いて行う(ステップS2)。続いて、例えばR画素の位置にはG、Bの信号情報がないため、その周りに配置された画素を参照し、それらから推測してG、B信号を作成するデモザイキング処理を行う(ステップS3)。簡単には周囲の画素から平均値をとる処理を行えば良いが、必要に応じて参照する画素範囲を広げるなど、様々な方法を取ることが可能である。このデモザイキング処理は、G画素、B画素に対しても同様に行う。
S’P={a1Sp1+a2Sp2+…+anSpn}/n (10)
N’P={(a1Np1)2+(a2Np2)2+・・・+(anNpn)2}1/2/n
(11)
なお、前記ステップは、合成手法により前後が異なる場合もある。例えば、デモザイキング処理を2次元画像合成の後に行う、など、S1乃至S5の順番を適宜入れ替える処理も可能である。
次に、図6(a)乃至図6(c)を参照して、結像レンズ12とマイクロレンズ部14aでそれぞれに起こる周辺光量の低下について説明する。図6(a)は一様輝度の画像(例えば全体が均一に白い画像)を複眼撮像系で撮影した場合の出力画像200を示す。なお、図6(a)に示すサークル210は、結像レンズ12の作るイメージサークルである。図6(b)は出力画像200の中心付近の画像の拡大図を示し、図6(c)は出力画像200の端付近の画像の拡大図を示す。また、図6(b)に示す符号Raはマイクロレンズの中心部の領域を示し、符号Rbはマイクロレンズの端部の領域を示す。図6(c)に示す符号Rcはマイクロレンズの中心部の領域を示し、符号Rdはマイクロレンズの端部の領域を示す。
1)軸外物点Qより発する光束量は、等面積の、光軸上の物点Pからの光束量よりもcosωに比例して減少する。
2)軸外物点Qは光軸上の物点Pより瞳から遠いので、同一瞳に対して張る立体角はcos2ωに比例して減少する。
3)軸外物点Qよりみる瞳の正射影はcosωに比例して減少する。
よって、全ての効果の積算として、軸外物点Qからの入射光束量、すなわち像面照度は中心に対してcos4ωに比例する。
次に、結像レンズ12とマイクロレンズ部14aでそれぞれ起こる周辺光量の低下を補正するための、輝度補正係数a1、a2、・・・、anの決定方法について説明する。この光量低下を補正するために輝度補正処理を行う。この輝度補正処理に用いられる輝度補正係数a1、a2、・・・、anは、一様輝度の画像(例えば全体が均一に白い画像)を撮影した際の複眼画像、もしくは同様の光学シミュレーションを経たシミュレーション画像から算出する。レンズ系による光量低下が無い場合であれば、均一な信号量となるべき被写体画像のため、画面全体の光量が低下した部分は、光量低下の起こらない最大輝度の画素値に合致するように、各画素位置に対して、輝度補正係数a1、a2、・・・、anを算出する。
図7(a)乃至図8(c)を参照して、本実施形態における画素カラーフィルタ(CF)配列について説明する。図7(a)はマイクロレンズが六方配列している場合、図8(a)はマイクロレンズが正方配列している場合を示す。両者は、各マイクロレンズの像内のCF配列においては同じ考え方が適用される。図7(a)、図8(a)において、「r」はマイクロレンズの半径を示す。
図9を参照して、W画素とG(またはB、R)画素の感度と飽和の関係について説明する。図9は、横軸に露光量(照度×露光時間)、縦軸にW画素、G画素それぞれの出力信号をとったものである。撮像領域に形成されているフォトダイオードは一般的に全て同じ信号飽和量、ノイズ量を持つと考える。このとき、Wフィルタは全波長領域の光を透過させフォトダイオードにて信号に変換するため、W画素の中からG波長領域の光を選択的に透過させたG画素と比較し、画素に入射するフォトン数が多い。よって、低露光量(低照度)で光電変換した場合でも高い出力信号が得られる。このため、同じ露光時間で比較した場合、低照度のSN比(出力信号/ノイズ)が良い。しかし、その反面、露光量の増加に対し、出力信号が上限値を超える飽和レベルに達しやすく、同じ露光時間で比較した場合、高照度では飽和しやすい。このように信号が飽和してしまうと、精確な露光量を検出できない。G画素では、逆に同じ露光時間で比較した場合、低照度のSN比が悪いが、露光量の増加に対し飽和は起こりにくい。マイクロレンズの中心ほど通過する光量は多く、マイクロレンズの外周部ほど通過する光量は少ないので、画素ブロックの中心から外周部に向かうにしたがって、W画素が配置される比率を高くする。
例1として、Imax(G)=200、Imax(W)=100のとき、Ppix=2となる。よって光量が1/2減少した位置を境界として、これより外周側の画素ブロックをW画素を含むCF配列とする。
例2として、Imax(G)=300、Imax(W)=100のとき、Ppix=3となる。よって光量が1/3減少した位置を境界として、これより外周側の画素ブロックをW画素を含むCF配列とする。
S”p(G)={a1Sp1(G)+a2Sp2(G)+…+an−1Spn−1(G)}/(n−1) (12)
N”p(G)={(a1Np1(G))2+(a2Np(G))2+…+(an―1Npn―1(G))2}1/2/(n−1) (13)
Spn(G’)=Spn(W)×S”p(G)/{S”p(R)+S”p(G)+S”p(B)} (14)
S’p(G)=S”p(G)+anSpn(G’)/2 (15)
同様にR、B画素についても行い、最終段階の合成後信号S’p(R)、S’p(G)、S’p(B)を得る。
第2実施形態の固体撮像装置について図11(a)乃至11(c)を参照して説明する。この第2実施形態の固体撮像装置は、第1実施形態の固体撮像装置とは、画素CF配列が異なっている。
第3実施形態の固体撮像装置について図12(a)乃至12(c)を参照して説明する。この第3実施形態の固体撮像装置は、第1実施形態の固体撮像装置とは、画素CF配列が異なっている。
第4実施形態の固体撮像装置について図13(a)乃至13(d)を参照して説明する。この第4実施形態の固体撮像装置は、第1実施形態の固体撮像装置とは、画素CF配列が異なっている。
10 撮像モジュール部
12 結像光学系(結像レンズ)
14 マイクロレンズアレイ
14a マイクロレンズ
14b 可視光透過基板
16 撮像素子
16a 半導体基板
16b 画素(フォトダイオード)
16c カラーフィルタ
16d 画素集光用マイクロレンズ
18 撮像回路
20 撮像信号プロセッサ
22 カメラモジュールI/F
24 画像取り込み部
26 信号処理部
28 ドライバI/F
40 可視光フィルタ基板
42 位置決めスペーサ
44 電極パッド
48 バンプ
50 チップ
52 光遮蔽カバー
54 モジュール電極
62 レンズ鏡筒
64 レンズホルダ
200 携帯情報端末
Claims (7)
- 半導体基板を含み、R画素、G画素、B画素、およびW画素のうち少なくとも2以上を有する画素ブロックを複数備えた撮像素子と、
被写体を結像面に結像する第1の光学系と、
複数の前記画素ブロックそれぞれに対応して設けられた複数のマイクロレンズを有するマイクロレンズアレイを含み、前記撮像素子と前記第1の光学系との間に設けられ、前記結像面に結像される像を、前記画素ブロックごとに縮小再結像する第2の光学系と、
を備え、
前記画素ブロックの中心から外周部に向かうにしたがって、前記W画素が配置される比率が高くなっていることを特徴とする固体撮像装置。 - 前記画素ブロックの中心を含む第1の領域は、前記R画素、前記G画素、および前記B画素を2行2列に配置して形成される第1画素サブブロックで配列され、
前記画素ブロックのうち、前記第1の領域以外の第2の領域は、前記W画素を含む第2画素サブブロックで配列されたことを特徴とする請求項1記載の固体撮像装置。 - 前記第1画素サブブロックはベイヤー配列であり、
前記第2画素サブブロックは、
1つの前記W画素、1つの前記R画素、1つの前記G画素、および1つの前記B画素からなる画素サブブロックと、
2つの前記W画素、1つの前記R画素、および1つの前記B画素からなる画素サブブロックと、
4つの前記W画素からなる画素サブブロックと、
のいずれかであることを特徴とする請求項2記載の固体撮像装置。 - 前記画素ブロックの中心を含む第1の領域は、前記R画素、前記G画素、および前記B画素を2行2列に配置して形成される第1画素サブブロックで配列され、
前記画素ブロックのうち、前記第1の領域を取り囲む第2の領域は、前記W画素を含む第2画素サブブロックで配列され、
前記画素ブロックのうち、前記第2の領域を取り囲む第3の領域は、2つの前記W画素を含む第3画素サブブロックで配列されていることを特徴とする請求項1記載の固体撮像装置。 - 前記第1の領域と前記第2の領域との境界は、前記W画素と、前記R画素、前記G画素、もしくは前記B画素との感度比率によって決定されることを特徴とする請求項2乃至4のいずれかに記載の固体撮像装置。
- 信号処理部を更に備え、
前記信号処理部は、
前記撮像素子によって撮像された複眼画像に対してホワイトバランス処理を行う第1処理部と、
ホワイトバランス処理が行われた複眼画像において前記複眼画像のR画素、G画素、およびB画素に対してデモザイキング処理を行い、前記複眼画像のW画素に対してデモザイキング処理を行わない第2処理部と、
デモザイキング処理が行われた複眼画像のR画素、G画素、およびB画素と、前記複眼画像のW画素とに対してそれぞれ2次元画像合成前後の座標の対応付けを行う第3処理部と、
座標の対応付けが行われた複眼画像のR画素、G画素、B画素を用いて2次元画像を合成する第4処理部と、
前記第4処理部によって合成された2次元画像に対して、前記複眼画像のW画素に関する2次元画像合成前後の座標の対応付け結果を用いて、前記W画素に関するR、G、およびBの色成分を求める第5処理部と、
前記第4処理部によって合成された2次元画像に対して、前記第5処理部によって求められた前記W画素に関するR、G、およびBの色成分を加算する第6処理部と、
を備えていることを特徴とする請求項請求項1乃至5のいずれかに記載の固体撮像装置。 - 請求項1乃至6のいずれかに記載の固体撮像装置を備えていることを特徴とする携帯情報端末。
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