JP6805766B2 - 撮像装置及び撮像システム - Google Patents

Description

本発明は、撮像装置及び撮像システムに関する。

撮像装置であるイメージセンサは、受光した光を光量に応じた電荷に変換する光電変換素子を備えた複数の画素を有する。夫々の画素は、各画素に直接入射する光だけではなく、隣接する画素から漏れた光をも受光するため、各画素は互いに隣接する画素からの光漏れによる影響を受ける。光漏れによる影響は画素が小さくなるほど大きくなるため、小画素化が進んだ近年のイメージセンサでは、光漏れの影響を無視することができない。

特許文献１には、イメージセンサの夫々の画素間の光漏れ量を測定可能な撮像システムが開示されている。特許文献１のイメージセンサは、各画素をメタルで覆って遮光した遮光画素の中に、遮光していない開口画素を点在させた遮光画素領域を有する。特許文献１においては、開口画素から漏れた光を遮光画素において測定し、測定された漏れ光量に基づいて、被写体を撮像する領域中のある画素から当該画素に隣接する注目画素への光漏れ（混色）を補正する。

しかし、画素を遮光するメタルの一部に開口を設けて開口画素とした場合、開口画素から入射する光は、メタルの配置条件の相違等の理由により被写体を撮像する領域に入射する光とは異なった挙動を示す。このため、測定された光漏れ量は実際の光漏れ量とは相違するという問題がある。

本発明は上述の事情に鑑みてなされたものであり、被写体を撮像する領域における実際の光漏れ量により近い光漏れ量を測定できるようにすることを目的とする。

上記の課題を解決するため、請求項１に記載の発明は、受光した光量に応じた電荷を出力する光電変換素子を備えた複数の画素と、前記各画素から出力された電荷を電圧信号に夫々変換する複数の電荷電圧変換回路と、がマトリクス状に配置された画素領域を備える撮像装置であって、前記画素領域は、前記画素が前記電荷電圧変換回路の配線メタルと同層の第一の遮光メタルによって覆われた孤立遮光画素と、前記画素がメタルによって覆われていない孤立画素と、を有する孤立領域と、前記配線メタルよりも上層の第二の遮光メタルによって前記画素と前記電荷電圧変換回路の全域が覆われた遮光領域とを備え、前記孤立領域において前記孤立画素を包囲する全ての前記画素は前記孤立遮光画素であることを特徴とする。

本発明によれば、被写体を撮像する領域における実際の光漏れ量により近い光漏れ量を
測定することが可能となる。

イメージセンサの概略構成を示す図である。 画素領域の一例を示す図である。 有効領域、孤立領域、及び遮光領域の構成を示す図である。 有効領域の端部に位置する画素の特性について説明する図である。 有効領域、孤立領域、及び遮光領域の各画素の模式的断面図である。 有効領域における入射光の挙動を示す模式的断面図である。 孤立領域における入射光の挙動を示す模式的断面図である。 仮に遮光領域に開口画素を設けた場合における入射光の挙動を示す模式的断面図である。 光漏れ量の測定方法について説明する図である。 カラーフィルタの配置について説明するための図である。 配線メタルと遮光メタルとの隙間から孤立遮光画素に入射する光について説明するための模式的断面図である。 配線メタルと遮光メタルとの隙間から孤立遮光画素に入射する光を抑制する手段について説明するための模式的断面図である。 孤立領域における信号処理について説明する図である。

本発明に係る撮像装置は、光漏れ量を測定するための領域として孤立領域を備える。孤立領域は、電荷電圧変換回路の配線用のメタルと同層に位置するメタルによって覆われた画素である孤立遮光画素と、メタルによって覆われていない画素である孤立画素を備える。孤立遮光画素を覆うメタルの位置（画素に対するメタルの高さ）は、被写体を撮像する有効画素におけるメタル、言い換えれば配線用のメタルと同一となるため、有効画素における実際の光漏れ量により近い光漏れ量を孤立領域において測定することができる。

以下、本発明を図に示した実施形態を用いて詳細に説明する。但し、この実施形態に記載される構成要素、種類、組み合わせ、形状、その相対配置などは特定的な記載がない限り、この発明の範囲をそれのみに限定する主旨ではなく単なる説明例に過ぎない。

以下の説明において、各符号に付される補助記号「＿ｂ」「＿ｇ」「＿ｒ」「＿ｄｍｙ」は、それぞれＢ（ブルー）、Ｇ（グリーン）、Ｒ（レッド）、ＤＭＹ（ダミー）に対応していることを示す。また、各色について特に区別せずに説明するときは、補助記号を省略して記載する。以下の説明において示す色の組み合わせは一例であって、組み合わせる色の種類や数はこれに限定されない。

また、以下の説明において「画素と画素（画素同士）が隣接する」、或いは「画素と画素（画素同士）が隣り合う」という場合は、画素のみに着目して表現したものであり、画素と画素の間に位置する電荷電圧変換回路の存在については考慮しない意味である。

〔イメージセンサの概略構成〕
図１は、イメージセンサの概略構成を示す図である。

イメージセンサ（撮像装置）４は、画素領域１と、垂直信号処理部２と水平信号処理部３とを備える。イメージセンサ４は、ファクシミリ、複写機、スキャナ、ビデオカメラ、デジタルカメラなどに用いられ、被写体や読取媒体等の画像データを得る際に使用される。

図２は、画素領域の一例を示す図である。なお、図２には画素領域１のうち、有効領域１１（図３参照）の部分を示しているが、他の領域（孤立領域１２と遮光領域１３）も同様の構成を有する。

画素領域１は、受光した光の光量に応じた電荷を出力するフォトダイオード（光電変換素子）を備えた複数の画素（有効画素１１１：１１１＿ｂ、１１１＿ｇ、１１１＿ｒ）と、各画素から出力された電荷を電圧信号に夫々変換する複数の電荷電圧変換回路１１３（１１３＿ｂ、１１３＿ｇ、１１３＿ｒ）とが列方向に沿って交互に、マトリクス状に配置された構成を備える。以下、各画素１１１＿ｂ、１１１＿ｇ、１１１＿ｒを特に区別しないときは単に画素１１１と言い、各電荷電圧変換回路１１３＿ｂ、１１３＿ｇ、１１３＿ｒを特に区別しないときは単に各電荷電圧変換回路１１３と言う。

図示する画素領域１は、Ｂ（ブルー）、Ｇ（グリーン）、Ｒ（レッド）の３種類の画素及びこれに対応する電荷電圧変換回路を有する。即ち、画素１１１＿ｂはブルーの画素であり、画素１１１＿ｇはグリーンの画素であり、画素１１１＿ｒはレッドの画素である。
また、電荷電圧変換回路１１３＿ｂは隣接するブルーの画素１１１＿ｂから得られた信号を電荷電圧変換する回路であり、電荷電圧変換回路１１３＿ｇは隣接するグリーンの画素１１１＿ｇから得られた信号を電荷電圧変換する回路であり、電荷電圧変換回路１１３＿ｒは隣接するレッドの画素１１１＿ｒから得られた信号を電荷電圧変換する回路である。

画素領域１が備える色の種類及び各色の画素の数量は自由に設定できる。また、図示する色の配置及び電荷電圧変換回路の配置は一例である。なお、符号ＤＭＹはダミー画素である。夫々の画素１１１は、対応する色成分の光の受光強度に基づく電荷を出力するため、各画素１１１には対応する色成分のみを通過させるカラーフィルタが配置されている。カラーフィルタの設置方法については後述する。

電荷電圧変換回路１１３において電荷から変換された電圧信号は、図１に示す垂直信号処理部２によって順次読み出される。図１及び図２には、図中縦方向に並ぶ画素１１１＿ｂ、１１１＿ｇ、１１１＿ｒに共通する読み出し配線を備える構成を示しているが、画素毎に独立した読み出し配線を設けてもよい。

図１に戻り、垂直信号処理部２は、電荷電圧変換回路１１３から出力された電圧信号に対してゲイン調整とオフセット調整を施した後、アナログ−デジタル変換した信号（デジタル信号）を出力する。

水平信号処理部３は、垂直信号処理部２で処理されたデジタル信号の並び替え等を行ったデータを出力する。

イメージセンサ４の後段には、水平信号処理部３から出力されたデジタル信号を処理する画像処理装置５が配置される。少なくとも画像処理装置５とイメージセンサ４とを組み合わせて撮像システム６が構成される。

画像処理装置５は、後述するダーク補正や、光漏れ量の算出等の算出処理を実行する。画像処理装置５は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）、ＲＯＭ（Read Only Memory）、ＲＡＭ（Random Access Memory）等を備えたコンピュータから構成され、ＣＰＵがＲＯＭに記憶されたプログラムを読み出してＲＡＭに展開して実行することにより、上記各種の算出処理を実行する。

撮像システム６では、イメージセンサ４で撮像し光電変換されたデータを、画像処理装置５で読み出して算出処理を実行する。撮像システム６は、例えば、上述のように、被写体や読取媒体等の画像データを得る際に使用され、ファクシミリ、複写機、スキャナ等に含まれる画像情報読み取り部（検査部）や、ビデオカメラ、デジタルカメラなどの読み取り部として機能する。

〔画素領域の種類及び配置〕
図３は、有効領域、孤立領域、及び遮光領域の構成を示す図である。図４は、有効領域の端部に位置する画素の特性について説明する図である。

画素領域１は、有効領域１１、孤立領域１２、及び遮光領域１３を備える。

有効領域１１は被写体を撮像するための領域であり、有効領域１１は被写体を撮像する複数の有効画素１１１を備えている。有効領域１１では全ての画素に光が入射する。この領域の画素を有効画素１１１と称する。有効領域１１から得られた輝度信号は、被写体を撮像した画像データを示す信号として処理される。説明の簡略化のため、図には画素配列を５列分のみ示しているが、有効領域１１は実際には数千から数十万画素に及ぶ画素を有する。

孤立領域１２は、光漏れ量を測るために、有効領域１１と遮光領域１３との間に設けられる領域である。詳細は後述する。

遮光領域１３は、全ての画素（遮光画素１３２）に光が入射しない領域である。この領域の画素を、遮光画素１３２と称する。遮光画素１３２からは電荷電圧変換回路１３３を介して黒レベルのデータを取得できる。遮光画素１３２から得られた黒レベルのデータはダーク補正に利用される。ここでダーク補正とは、有効画素１１１で得られたデータ値から、遮光画素１３２で得られた黒レベルのデータ値を減算することで画像を補正する処理のことである。遮光領域１３においては、遮光画素１３２と電荷電圧変換回路１３３を含む全域が遮光のためにメタルで覆われる。遮光領域１３を遮光するメタル（遮光メタル、第二の遮光メタル）は、配線層よりも上層に配置される。

孤立領域１２の詳細について説明する。孤立領域１２は、メタルで覆われていない画素である孤立画素１２１（１２１＿ｂ、１２１＿ｇ、１２１＿ｒ）と、メタル（遮光メタル、第一の遮光メタル）で覆われた画素である孤立遮光画素１２２（１２２＿ｂ、１２２＿ｇ、１２２＿ｒ、１２２＿ｄｍｙ）とを備えている。孤立画素１２１に隣接して配置される画素は孤立遮光画素１２２である。言い換えれば、孤立画素１２１に隣り合う全ての画素、或いは孤立画素１２１を包囲する全ての画素は孤立遮光画素１２２である。

また、メタルで覆われる部位は画素部のみであり、他の部位（電荷電圧変換回路１２３＿ｂ、１２３＿ｇ、１２３＿ｒ等）はメタルで覆われない。このため、孤立遮光画素１２２を覆うメタルには、電荷電圧変換回路１２３の配線メタルと同層のメタルを使用してもよいし、電荷電圧変換回路１２３の配線メタルよりも上層のメタルを使用してもよい。なお、電荷電圧変換回路１２３の配線メタルは、有効領域１１における電荷電圧変換回路の配線メタルと同様の配置となっている。

孤立領域１２においては、夫々の孤立画素１２１＿ｂ、１２１＿ｇ、１２１＿ｒから得られるデータ値と夫々の孤立画素の周囲に位置する孤立遮光画素１２２から得られるデータ値の関係から、光漏れ量を測定する。光漏れ量の測定については後述する。

孤立領域１２内には、ブルー、グリーン、レッドの各色に対応する孤立画素１２１＿ｂ、１２１＿ｇ、１２１＿ｒを少なくとも１つずつ設けることで、色ごとの光漏れ量を測定できる。

ここで、ある孤立遮光画素１２２が複数の孤立画素１２１に隣り合う場合、例えば、ある孤立遮光画素１２２が孤立画素１２１＿ｂを包囲する画素でもあり、孤立画素１２１＿ｇを包囲する画素でもある場合を考える。このような孤立遮光画素１２２は孤立画素１２１＿ｂからの光漏れと孤立画素１２１＿ｇからの光漏れの双方が混在した光を検出することになるため、１つの孤立画素からの正確な光漏れ量を測定することが困難となる。そこで、本実施形態においては、夫々の孤立画素１２１＿ｂ、１２１＿ｇ、１２１＿ｒを互いに２列以上離間させて配置する。即ち、列方向に隣接する孤立画素１２１同士の間には、孤立遮光画素１２２の列を２列以上配置する。なお、行方向についても同様であり、１つの孤立遮光画素に複数の孤立画素からの漏れ光が入射しないように、両者を離間して配置する。

ここで、各領域の位置関係について説明する。

仮に、有効領域１１の隣に遮光領域１３を配置すると、有効領域１１と遮光領域１３の境界付近にある画素が互いの領域の影響を受けてしまい、その特性に影響が出てしまう。例えば、遮光領域１３を有効領域１１に隣接して配置すると、入射された光が光電変換された電荷が、水平方向に伝達されたり、隣の領域の向かう入射光が、メタルから反射、再反射されて遮光領域１３に光が入射されたりすることで、うまく遮光できないおそれがある。

そのため、画像データを取り込むために設けられている有効画素１１１は、遮光画素１３２から離して配置する必要がある。そこで、本実施形態においては、有効領域１１と遮光領域１３との間に画像データの取り込みには使用しない孤立領域１２を配置して、孤立領域１２をバッファ（緩衝領域）として有効利用する。このようにすることで、有効領域１１と遮光領域１３の境界付近にある各領域の画素が互いの領域の影響を受けないようにすることができる。

このように、有効領域１１の隣に遮光領域１３を配置しない構成とすれば、有効画素１１１は遮光画素１３２からの影響を受けずに済む。しかし、仮に図４のように有効領域１１の隣に何らの画素も存在しない構成とすると、画素が存在しないことによって、有効領域１１のエッジ付近の有効画素１１１＿ｅｇｄｅの特性に影響が出ることになる。従って、有効領域１１の隣には、少なくとも孤立遮光画素１２２又はダミー画素を設ける。

また、図３には孤立領域１２の隣に遮光領域１３を配置した構成を示しているが、孤立領域１２の隣に遮光領域１３を設けない構成としてもよい。この場合、遮光領域１３の代わりに画素をダミー画素に置き換えたダミー領域を配置することができる。なお、ダミー領域については、その全部又は一部がメタルによって遮光されていてもよいし、全部が遮光されていなくてもよい。ダミー領域の一部をメタルで覆う場合、例えばダミー画素のみをメタルで遮光し、電荷電圧変換回路をメタルで遮光しないといった構成とすることができる。

光漏れは、上から入ってくる上からの光の漏れ（回折のしにくさ、通りやすさ）と、光が光電変換された電荷の水平方向の広がりの２種類がある。いずれの光漏れも光の波長が短いほど少なくなる。そこで、水平方向の電荷の広がりを考慮して、複数の孤立画素１２１（１２１＿ｂ、１２１＿ｇ、１２１＿ｒ）のうち、最も短い波長の光を受光する孤立画素１２１＿ｂを、有効領域１１（図３の左側）に最も近くなるように配置する。反対に、最も長い波長の光を受光する孤立画素１２１＿ｒを、有効領域１１から最も離れるように配置する。そうすることで、孤立画素１２１から有効画素１１１への光漏れの影響を最少にすることができる。例えば画素領域中の色がレッド、グリーン、ブルーの３色の場合は、最も波長が短いブルーの孤立画素１２１＿ｂを有効領域１１側に配置し、波長が長いレッドの孤立画素１２１＿ｒを有効領域１１から離して配置する。

また、夫々の色の孤立画素１２１＿ｂ、１２１＿ｇ、１２１＿ｒの近傍には、孤立画素１２１＿ｂ、１２１＿ｇ、１２１＿ｒに入射した光を光電変換する第１の電荷電圧変換回路１２３＿ｂ、１２３＿ｇ、１２３＿ｒが設けられている。

また電荷電圧変換回路１２３＿ｂ、１２３＿ｇ、１２３＿ｒの周りの部分は、孤立遮光画素１２２に夫々対応づけられた光漏れの量を検出して光電変換する第２の電荷電圧変換回路１２５＿ｂ、１２５＿ｇ、１２５＿ｒが設けられている。

〔画素の断面図〕
図５は、有効領域、孤立領域、及び遮光領域の各画素の模式的断面図である。図には、代表的に有効画素１１１、孤立遮光画素１２２、及び遮光画素１３２を抽出して示している。図５は、図３の矢印Ａ１の部分の断面を示しているが、夫々の領域の画素の数を２個に省略して示している。

画素領域１は、配線用のメタルとして、画素に最も近い最下層（１段目）に配置された配線メタル１４＿１１と、配線メタル１４＿１１の上層に配置された中間層（２段目）の配線メタル１４＿２１とを備える。また、画素領域１は、画素を覆うためのメタルとして、配線メタル１４＿１１の上層に配置された中間層（２段目）の遮光メタル１４＿２２と、最上層（３段目）に配置された遮光メタル１４＿３２とを備える。

配線メタル１４＿１１、１４＿２１は、電荷電圧変換回路の配線用のメタルである。画素領域１の中で隣り合う画素（電荷電圧変換回路を間に挟んでいない画素同士）は、互いに画素分離領域１５によって分離されており、配線メタル１４＿１１、１４＿２１は画素分離領域１５の上方に配置されている。

有効領域１１と孤立領域１２には最下層のメタル（配線メタル１４＿１１）と中間層のメタル（配線メタル１４＿２１、又は遮光メタル１４＿２２）が配置されるため、２つの領域のメタル層の高さは同一となる。遮光領域１３において画素を覆う遮光メタル１４＿３２は、配線メタル１４＿１１と配線メタル１４＿２１の双方よりも上層に配置されるため、メタル層の高さは有効領域１１と孤立領域１２に比べて高くなる。

〔光の入射〕
各画素領域における入射光の挙動について説明する。図６は、有効領域における入射光の挙動を示す模式的断面図である。図７は、孤立領域における入射光の挙動を示す模式的断面図である。図８は、仮に遮光領域に開口画素を設けた場合における入射光の挙動を示す模式的断面図である。

図６〜図８には、画素の境界付近（画素分離領域１５の周辺）に入射する入射光４１〜４４の挙動を示している。夫々の入射光は画素に対して垂直に入射しない光であり、本発明の実施形態において光漏れ量の測定対象となる光である。なお、メタルが存在しないとした場合に、画素に対する入射光４１〜４４の入射角度と入射位置は各図において共通である。

図６は、例えば図５の有効領域１１の矢印Ａ２の部分の断面に相当する。図６に示す有効領域１１において、有効画素１１１（１１１＿１〜１１１＿３）の上方は開口している。有効領域１１においては、画素分離領域１５の上方に配線メタル１４＿１１、１４＿２１が配置される。

図６に示す有効領域１１では、配線メタル１４＿１１、１４＿２１が配置されることで、有効画素１１１＿１〜１１１＿３の上方から入射される光を周囲へ入射されることを抑制する。

下記、図６〜図８において、複数の入射光４１ａ〜４４ｆを用いて、光の挙動について説明する。例えば、図６において、入射光４１ａ，４１ｂ、４２ａ，４２ｂは、有効領域１１の外側方向から内側方向に向かって傾斜して到来する光を表しており、入射光４３ａ，４３ｂ、４４ａ，４４ｂは有効領域１１の真上方向から外側方向に向かって到来する光を表している。なお、全ての入射光４１ａ〜４４ｂの入射角は等しいものとする。

図６に示す角度の入射光４１ａ，４１ｂ、４２ａ，４２ｂ、４３ａ，４３ｂ、４４ａ，４４ｂのうち、４１ａ、４１ｂ、４２ａ，４２ｂは配線メタル１４＿１１からの影響を受けずに、直進して、有効画素１１１＿２に直接入射する。

入射光４３ａ，４３ｂは配線メタル１４＿２１で反射して、いずれの有効画素１１１＿１〜１１１＿３にも入射しない。

入射光４４ａは、図中左側の配線メタル１４＿１１で反射された後、配線メタル１４＿２１で再反射されることで進行方向が変更されて、有効画素１１１＿２と隣接する有効画素１１１＿１に入射し、入射光４４ｂは、図中右側の配線メタル１４＿１１で反射した後、配線メタル１４＿２１で再反射されることで進行方向が変更されて、有効画素１１１＿２と隣接する有効画素１１１＿３に入射する。

図７は、例えば図３の孤立領域１２の矢印Ａ３の部分の断面に相当する。図７に示す孤立領域１２において、孤立画素１２１＿１の上方は開口し、孤立遮光画素１２２（１２２＿１、１２２＿２）は画素の上方に配置された遮光メタル１４＿２２によって覆われている。孤立領域１２においては、画素分離領域１５の上方に配線メタル１４＿１１、１４＿２１が配置される。孤立遮光画素１２２を覆う遮光メタル１４＿２２は配線メタル１４＿２１と同層に位置する。

図７に示す孤立画素１２１では、孤立領域１２は、メタルが最下層と中間層に存在する点で有効領域１１と類似する構成を有するので、入射光の挙動は図６と同様である。入射光４１ｃ，４１ｃ、４２ｃ，４２ｃは配線メタル１４＿１１，１４＿２１からの影響を受けずに、直進して、孤立画素１２１＿１に直接入射する。入射光４３ｃ，４３ｃは配線メタル１４＿２１で反射していずれの孤立画素１２１にも入射しない。入射光４４ｃ，４４ｄは、配線メタル１４＿１１で反射した後、配線メタル１４＿２１で再反射して孤立画素１２１＿１と隣接する孤立遮光画素１２２＿１，１２２＿２に夫々入射する。

図８は、例えば図３の遮光領域１３の矢印Ａ４の部分に、開口部を設けたと仮定した断面に相当する。図８に示す遮光領域１３において、開口画素１３１＿１の上方は開口し、遮光画素１３２（１３２＿１、１３２＿２）は上方に配置された遮光メタル１４＿３２によって覆われている。遮光領域１３においては、画素分離領域１５の上方に配線メタル１４＿１１、１４＿２１が配置される。遮光画素１３２の上方の最上層には、遮光画素１３２と画素分離領域１５の上方に跨がって遮光メタル１４＿３２が配置される。

このように、孤立領域１２と遮光領域１３では、遮光されている画素を覆うメタルの高さと位置が異なっている。

図８に示す遮光領域１３では、遮光領域１３に入射する入射光４２、４４の挙動は、入射光４２、４４の挙動と同様であるが、入射光４１、４３の挙動が、図６、図７とは異なる。入射光４２ｅ，４２ｆは配線メタル１４＿１１，１４＿２１からの影響を受けずに、直進して、開口画素１３１＿１に直接入射する。入射光４１ｅ，４１ｆは、一番上の遮光メタル１４＿３２に反射して、いずれの開口画素１３１＿１、遮光画素１３２＿１、１３２＿２にも入射しない。

入射光４４ｅ、４４ｆは図６に示すメタルの一番下の層である配線メタル１４＿１１の上面で反射され、その後、配線メタル１４＿２１の下側面で再反射されることで、隣接する遮光画素１３２＿１，１３２＿１に対して夫々入射される。

入射光４３ｅ，４３ｆは真ん中の層である配線メタル１４＿１１の上面で反射され、その後、上の層である配線メタル１４＿１の下側面で再反射されることで、開口画素１３１＿１に隣接する遮光画素１３２＿１，１３２＿２に夫々入射する。

このように、図８に示す遮光領域１３では、開口画素１３１を形成することにより意図的に開口画素１３１から遮光画素１３２への光漏れを発生させている。しかし、遮光領域１３での入射光の挙動は有効領域１１での入射光の挙動とは大きく異なるため、有効領域１１で実際に発生する光漏れとは大きく異なった結果となることがわかる。よって、本発明では、実際は図３に示すように、遮光領域１３には、開口画素は設けていない。

一方、孤立領域１２での入射光の挙動は有効領域１１での入射光の挙動と同様であるため、孤立画素１２１から孤立遮光画素１２２への光漏れは、有効領域１１で実際に発生する光漏れに近い値が得られることがわかる。

ただし、孤立領域１２においては、孤立遮光画素１２２の上方に画素を覆うメタルを配置することによって画素間に寄生容量が生ずるため、孤立領域１２で測定された光漏れ量と、有効領域１１で実際に発生する光漏れ量との間に差が生ずる虞がある。そこで、本実施形態においては、孤立遮光画素１２２を覆う遮光メタル１４＿２２を電荷電圧変換回路１２３用の配線メタルの最上層と同一の層、即ち、中間層の配線メタル１４＿２１と同一の層に配置することによって寄生容量を下げて、有効領域１１で実際に発生する光漏れ量により近い光漏れ量となるようにしている。

〔光漏れ量の測定方法〕
図９は、光漏れ量の測定方法について説明する図である。以下では孤立画素１２１＿ｇから孤立遮光画素１２２＿＊＊（「＊＊」は、アルファベットと数字の組み合わせを示す）への光漏れ量の測定例に基づいて説明する。孤立画素１２１＿ｇから孤立遮光画素１２２への光漏れ量は、例えば両画素から得られる値に基づいて、電荷電圧変換回路１２３、１２５によって算出される信号比として得ることができる。光漏れ量の算出は、電荷電圧変換回路１２３、１２５が電荷へ変換した後、水平信号処理部３（図１参照）の後段に配置された画像処理装置によって実行される。

孤立遮光画素１２２＿ｇ２、１２２＿ｇ４の値からは、夫々に対応づけられた第２の電荷電圧変換回路１２５＿ｇ２、１２５＿ｇ４が漏れ電荷を検出して、孤立画素１２１＿ｇに隣接する同色の画素（ここではグリーンの画素）への光漏れ量を知ることができる。孤立遮光画素１２２＿ｇ１、１２２＿ｇ５の値からは、夫々に対応づけられた第２の電荷電圧変換回路１２５＿ｇ１、１２５＿ｇ５が漏れ電荷を検出して、孤立画素１２１＿ｇの２つ隣の同色の画素（ここではグリーンの画素）への光漏れ量を知ることができる。

孤立遮光画素１２２＿ｂ１〜１２２＿ｂ５と孤立遮光画素１２２＿ｒ１〜１２２＿ｒ５の値からは、色漏れ量、即ち、ある色の画素（ここではグリーンの画素）から、他の色の画素（ここではブルー又はレッドの画素）への光漏れ量を知ることができる。

ただし、図示する孤立領域１２では画素の部分のみをメタルで覆い、電荷電圧変換回路１２３、１２５の部分をメタルで覆っていないため、各孤立遮光画素１２２で光漏れ量として得られる値は、孤立画素１２１＿ｇからの光漏れだけではなく、電荷電圧変換回路１２５の部分から各孤立遮光画素１２２への光漏れが含まれた値である。

そこで、本実施形態においては、孤立画素１２１とその周辺の孤立遮光画素１２２を含む第一の測定領域１２４＿１に隣接して、孤立画素１２１を含まない第二の測定領域１２４＿２を設ける。即ち、孤立領域１２は第一の測定領域１２４＿１と第二の測定領域１２４＿２を備え、第二の測定領域１２４＿２は画素が孤立遮光画素１２２のみから構成される。

第一の測定領域１２４＿１は、孤立画素１２１＿ｇから孤立遮光画素１２２への光漏れ量を測定するための領域である。第二の測定領域１２４＿２には、孤立画素１２１が含まれていないため、第二の測定領域１２４＿２では、電荷電圧変換回路１２５の影響のみを知ることができる。即ち、第二の測定領域１２４＿２は、電荷電圧変換回路１２５から孤立遮光画素１２２への光漏れ量を測定するための領域である。第二の測定領域１２４＿２の各孤立遮光画素１２２で得られる値の平均値を、第一の測定領域１２４＿１中の各孤立遮光画素１２２の値から夫々減算することにより、孤立画素１２１と対応づけられる電荷電圧変換回路１２３からの光漏れを含まない光漏れ量の値を得ることができる。

なお、第二の測定領域１２４＿２は第一の測定領域１２４＿１中の孤立画素１２１から２列以上離間して配置して、孤立画素１２１からの光漏れの影響を受けないようにする。また、第二の測定領域１２４＿２には孤立遮光画素１２２の列を２列以上配置して、電荷電圧変換回路１２５からの光漏れ量（水平方向の電荷の広がり）についてできるだけ正確な値を得られるようにする。

また、有効画素１１１を含む全ての画素領域１において、回路配線を利用して電荷電圧変換回路部分をメタルで覆うことによって、電荷電圧変換回路部分への光の入射を抑えられる。以上の措置を施すことにより、電荷電圧変換回路から画素への光漏れ自体を抑えることができる。

〔カラーフィルタの配置方法〕
図１０は、カラーフィルタの配置について説明するための図である。図１０には、画素領域１のうち有効領域１１の例を示しているが、他の領域の構成も同様である。

画素領域１は、特定の色（波長）の光を透過させる複数のカラーフィルタによって覆われており、各画素は、夫々のカラーフィルタを透過した光をそれぞれ受光する。図示する画素領域１は、ブルーのカラーフィルタＣＦ＿ｂ、グリーンのカラーフィルタＣＦ＿ｇ、レッドのカラーフィルタＣＦ＿ｒ、及びダミー画素用のカラーフィルタＣＦ＿ｄｍｙ１、ＣＦ＿ｄｍｙ２が順番に配置されている。

電荷電圧変換回路１１３への光の入射を抑制するために、カラーフィルタＣＦは電荷電圧変換回路１１３にも配置する。隣り合うカラーフィルタＣＦ同士をできる限り詰めて配置することで電荷電圧変換回路１１３への光の入射をより抑制することができる。また、カラーフィルタＣＦが切り替わる境界部分を隣接する画素の中央部に設定することで、色漏れをより抑制することができる。本例において、カラーフィルタＣＦの境界は電荷電圧変換回路１１３上に設定されている。

〔孤立遮光画素に対する光の入射〕
図１１は、配線メタルと遮光メタルとの隙間から孤立遮光画素に入射する光について説明するための模式的断面図である。図１２は、配線メタルと遮光メタルとの隙間から孤立遮光画素に入射する光を抑制する手段について説明するための模式的断面図である。

孤立遮光画素１２２を覆う遮光メタル１４＿２２は中間層（２段目）に配置される。中間層には配線メタル１４＿２１も配置されるため、配線メタル１４＿２１と遮光メタル１４＿２２との間には隙間を設ける必要がある。

図１１のように、比較例として、配線メタル１４＿２１と同形状の配線メタル１４＿１１を配線メタル１４＿２１の真下に配置する場合、配線メタル１４＿２１と遮光メタル１４＿２２との隙間から入射する入射光４６ｘ、４７ｘはそのまま孤立遮光画素１２２に到達する。孤立遮光画素１２２に入射した入射光４６ｘ、４７ｘは、孤立画素１２１（図７参照）からの水平方向の光漏れではない。しかし、孤立遮光画素１２２で得られる光漏れ量の中には入射光４６ｘ、４７ｘの影響が含まれるという問題がある。

そこで図１２に示すように、遮光メタル１４＿２２よりも下層に配置された配線メタル１４＿１３を配線メタル１４＿２１と遮光メタル１４＿２２との隙間の直下まで延長することで、この隙間からの光の入射を抑制する。より隙間からの光の入射を抑制するためには、配線メタル１４＿１３を遮光メタル１４＿２２の直下まで延長し、配線メタル１４＿１３を遮光メタル１４＿２２に対してオーバーラップさせることが望ましい。以上の措置を施すことにより、隙間に入射する入射光４６、４７が水平方向の光漏れ量の測定値に与える影響を抑制することができる。

〔孤立領域での処理系〕
図１３は、孤立領域における信号処理について説明する図である。

図示するイメージセンサは、水平信号処理部３内に２つの水平信号処理回路３１＿１、３１＿２を備えている。また、このイメージセンサでは、夫々の孤立画素１２１＿ｂ、１２１＿ｇ、１２１＿ｒからの信号を同一の水平信号処理回路３１＿１に入力して処理している。即ち、水平信号処理部３は、図１３に示す例では、複数の処理系（水平信号処理回路３１＿１、３１＿２…）を備えている。

仮に、夫々の孤立画素１２１＿ｂ、１２１＿ｇ、１２１＿ｒから出力される信号を異なる水平信号処理回路に処理させると、各孤立画素から得られる値には水平信号処理回路の特性差に基づく値の相違分が合成されてしまい、最終的に得られる光漏れ量の値に影響を与える。

そこで、水平信号処理部に複数の水平信号処理回路を備える場合には、複数の孤立画素からの信号をできるだけ同一の水平信号処理回路に処理させるようにして、水平信号処理回路間の特性差が処理結果に表れないようにしている。

なお、図１３には水平信号処理部３が２つの処理回路を備えている例を示しているが、３つ以上の場合も同様である。また、垂直信号処理部２についても同様である。

＜第一の実施態様＞
本態様は、受光した光量に応じた電荷を出力する光電変換素子を備えた複数の画素と、各画素から出力された電荷を電圧信号に夫々変換する複数の電荷電圧変換回路と、がマトリクス状に配置された画素領域１を備える撮像装置であって、画素領域は、画素が電荷電圧変換回路１２３の配線メタル１４＿２１と同層の第一の遮光メタル１４＿２２によって覆われた孤立遮光画素１２２と、画素がメタルによって覆われていない孤立画素１２１と、を有する孤立領域１２を備え、孤立領域において孤立画素を包囲する全ての画素は孤立遮光画素であることを特徴とする。

仮に、図８に示すように、画素及び電荷電圧変換回路の全域を遮光のためにメタルで覆った遮光領域の中に一部の画素部分を開口した開口画素を設け、遮光領域において開口画素からの上方からの光漏れ量を測定したとする。遮光領域を遮光するメタルは、電荷電圧変換回路の配線用のメタルと同一の層には配置できないため、遮光用のメタルは配線用のメタルよりも上層に配置する必要がある。しかし、被写体を撮像する有効領域とは異なる高さ位置にあるメタルで遮光すると、隣接する画素に漏れる光の挙動は、遮光領域と有効領域とでは大きく異なってしまい、正確な光漏れ量を把握することが困難である。また、遮光領域においては画素だけではなく、画素に隣接する電荷電圧変換回路部分も遮光されることになるが、有効領域における電荷電圧変換回路部分は通常、遮光されないため、この点においても遮光領域で得られる光漏れ量は有効領域と大きく相違することとなる。

本態様においては、光漏れ量を測定するための領域として孤立領域を設け、孤立領域の中で孤立遮光画素を覆うメタルの位置（画素に対するメタルの高さ）を、被写体を撮像する有効画素におけるメタル、言い換えれば配線用のメタルと同一とした。従って、本態様によれば、被写体を撮像する有効領域における実際の光漏れ量により近い光漏れ量を孤立領域において測定することができる。

＜第二の実施態様＞
本態様に係る撮像装置において、画素領域１は、配線メタル１４＿１１、１４＿２１よりも上層の第二の遮光メタル１４＿３２によって画素（遮光画素１３２）と電荷電圧変換回路１３３の全域が覆われた遮光領域１３を備えたことを特徴とする。

遮光領域１３中の遮光画素１３２は光が入射しない画素である。遮光画素１３２からは黒レベルのデータを取得できるので、撮像装置から得られるデータに基づいてダーク補正を実行することができる。

＜第三の実施態様＞
本態様に係る撮像装置において、画素領域１は、被写体を撮像する複数の有効画素１１１を備えた有効領域１１を有しており、孤立領域１２は有効領域１１と遮光領域１３との間に配置されることを特徴とする。

仮に、有効領域に隣接して遮光領域を配置すると、有効領域と遮光領域の境界付近にある画素が互いの領域の影響を受けてしまい、境界付近の画素からの電荷の出力特性に影響が出てしまう。

本態様においては、有効領域と遮光領域を離間して配置したので、有効領域と遮光領域の境界付近にある各領域の画素が互いの領域の影響を受けないようにすることができる。

＜第四の実施態様＞
本態様に係る撮像装置において、第一の遮光メタル１４＿２２は、配線メタルのうちの最上層の配線メタル１４＿２１と同層に位置することを特徴とする。

孤立領域１２においては、孤立遮光画素１２２の上方に画素を覆うメタルを配置することによって画素間に寄生容量が生ずるため、孤立領域で測定された光漏れ量と、有効領域１１で実際に発生する光漏れ量との間に差が生ずる虞がある。そこで、本実施形態においては、孤立遮光画素１２２を覆う遮光メタル１４＿２２を電荷電圧変換回路１２３用の配線メタルの最上層と同一の層、即ち、中間層の配線メタル１４＿２１と同一の層に配置することによって寄生容量を下げて、有効領域１１で実際に発生する光漏れ量により近い光漏れ量となるようにしている。

＜第五の実施態様＞
本態様に係る撮像装置において、画素領域１は、特定の色の光を通過させる複数のカラーフィルタＣＦ（ＣＦ＿ｂ、ＣＦ＿ｇ、ＣＦ＿ｒ）によって覆われており、孤立領域１２は、各色のカラーフィルタに対応する孤立画素１２１（１２１＿ｂ、１２１＿ｇ、１２１＿ｒ）を少なくとも１つ備えることを特徴とする。

各色に対応する孤立画素を少なくとも１つずつ備えることによって、色ごとの光漏れ量を測定できる。

＜第六の実施態様＞
本態様に係る撮像装置において、複数の孤立画素１２１（１２１＿ｂ、１２１＿ｇ、１２１＿ｒ）のうち最も短い波長の色を受光する孤立画素１２１＿ｂが、被写体を撮像する複数の有効画素１１１を備えた有効領域１１に最も近くなるように配置されることを特徴とする。

光漏れは、光の波長が短いほど少なくなる。例えば画素領域中の色がレッド、グリーン、ブルーの３色の場合は、最も波長が短いブルーの孤立画素１２１＿ｂを有効領域１１側に配置することで、孤立画素１２１から有効画素１１１への光漏れの影響を最少にすることができる。

＜第七の実施態様＞
本態様に係る撮像装置においては、列方向又は行方向に隣り合う孤立画素１２１同士の間には孤立遮光画素１２２が２列又は２行以上配置されることを特徴とする。

ある孤立遮光画素が複数の孤立画素に隣り合う構成とすると、当該孤立遮光画素は、複数の孤立画素からの光漏れが混在した光を検出することとなり、１つの孤立画素からの正確な光漏れ量を検出することが困難となる。本態様においては、孤立遮光画素を孤立画素から２列（又は２行）以上、離間して配置することで、夫々の孤立画素からの光漏れ量を分離して検出できるようにしたものである。

＜第八の実施態様＞
本態様に係る撮像装置において、孤立領域１２は、孤立画素１２１に隣り合わない孤立遮光画素１２２の列を２列以上備えることを特徴とする。即ち、本態様に係る撮像装置は、孤立画素１２１と孤立画素１２１に隣り合う孤立遮光画素１２２とを含む第一の測定領域１２４＿１と、孤立画素１２１に隣り合わない孤立遮光画素１２２の列を２列以上含む第二の測定領域１２４＿２とを備えるものである。

第一の測定領域中の孤立遮光画素からは、孤立画素からの光漏れと電荷電圧変換回路からの光漏れの双方を含んだデータを取得することができる。第二の測定領域中の孤立遮光画素は孤立画素に隣り合っていないため、電荷電圧変換回路からの光漏れによる影響のみを受けたデータを得ることができる。

本態様によれば、電荷電圧変換回路からの光漏れ量を知ることができるので、第一の測定領域中の孤立遮光画素が受けた電荷電圧変換回路からの光漏れ量を減算することで、孤立画素からの光漏れ量を正確に算出することができる。

＜第九の実施態様＞
本態様に係る撮像装置において、各電荷電圧変換回路を介して各画素から出力された信号を処理する複数の信号処理回路（水平信号処理回路３１＿１、３１＿２…）を備え、各孤立画素１２１からの信号を同一の信号処理回路（水平信号処理回路３１＿１）で処理するようにしたことを特徴とする。

本態様によれば、信号処理回路間の特性差が処理結果に表れないようにすることができる。

＜第十の実施態様＞
本態様は、第一乃至第九の実施態様の何れかに記載された撮像装置と、撮像装置から出力された信号を処理する画像処理装置と、を備えた撮像システムを特徴とする。

本態様に係る撮像システムは、第一乃至第九の実施態様と同様の作用、効果を享受することができる。

１…画素領域、１１…有効領域、１１１…有効画素、１１３…電荷電圧変換回路、１２…孤立領域、１２１…孤立画素、１２２…孤立遮光画素、１２３…電荷電圧変換回路、１２４…測定領域、１３…遮光領域、１３１…開口画素、１３２…遮光画素、１３３…電荷電圧変換回路、１４＿１１、１４＿１３、１４＿２１…配線メタル、１４＿２２、１４＿３２…遮光メタル、１５…画素分離領域、ＣＦ…カラーフィルタ、２…垂直信号処理部、３…水平信号処理部、３１…水平信号処理回路、４…イメージセンサ（撮像装置）、４１〜４７…入射光、５…画像処理装置、６…撮像システム

特開２０１１−６６８０１公報

Claims (9)

1. 受光した光量に応じた電荷を出力する光電変換素子を備えた複数の画素と、前記各画素から出力された電荷を電圧信号に夫々変換する複数の電荷電圧変換回路と、がマトリクス状に配置された画素領域を備える撮像装置であって、
   前記画素領域は、
   前記画素が前記電荷電圧変換回路の配線メタルと同層の第一の遮光メタルによって覆われた孤立遮光画素と、前記画素がメタルによって覆われていない孤立画素と、を有する孤立領域と、
   前記配線メタルよりも上層の第二の遮光メタルによって前記画素と前記電荷電圧変換回路の全域が覆われた遮光領域と
   を備え、
   前記孤立領域において前記孤立画素を包囲する全ての前記画素は前記孤立遮光画素であることを特徴とする撮像装置。
2. 前記画素領域は、被写体を撮像する複数の有効画素を備えた有効領域を有しており、前記孤立領域は前記有効領域と前記遮光領域との間に配置されることを特徴とする請求項１に記載の撮像装置。
3. 前記第一の遮光メタルは、前記配線メタルのうちの最上層の配線メタルと同層に位置することを特徴とする請求項１または２に記載の撮像装置。
4. 前記画素領域は、特定の色の光を通過させる複数のカラーフィルタによって覆われており、
   前記孤立領域は、各色の前記カラーフィルタに対応する前記孤立画素を少なくとも１つ備えることを特徴とする請求項１乃至３の何れか一項に記載の撮像装置。
5. 複数の前記孤立画素のうち最も短い波長の色を受光する孤立画素が、被写体を撮像する複数の有効画素を備えた有効領域に最も近くなるように配置されることを特徴とする請求項４に記載の撮像装置。
6. 列方向又は行方向に隣り合う前記孤立画素同士の間には前記孤立遮光画素が２列又は２行以上配置されることを特徴とする請求項１乃至５の何れか一項に記載の撮像装置。
7. 前記孤立領域は、前記孤立画素に隣り合わない前記孤立遮光画素の列を２列以上備えることを特徴とする請求項１乃至６の何れか一項に記載の撮像装置。
8. 前記各電荷電圧変換回路を介して前記各画素から出力された信号を処理する複数の信号処理回路を備え、
   前記各孤立画素からの信号を同一の前記信号処理回路で処理するようにしたことを特徴とする請求項１乃至７の何れか一項に記載の撮像装置。
9. 請求項１乃至８の何れか一項に記載の撮像装置と、該撮像装置から出力された信号を処理する画像処理装置と、を備えたことを特徴とする撮像システム。

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