JPH05207383A - 固体撮像装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】この発明は、大画面化しても均一性に優れ高解
像度で鮮明な画像を得ることができる固体撮像装置を提
供することを目的としている。 【構成】この発明に係る固体撮像装置は、光学系を介し
て取り込まれた光学像が結像され、該光学像に対応した
電気信号を得るものを対象としており、固体撮像装置の
画素のピッチを、光学系による光学像の収差に対応させ
て、中央から周辺に向かって順次変化させるようにして
いる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、光学系による光学像
の歪みを補正して均一で鮮明な画像が得られるようにし
た固体撮像装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】周知のように、ＣＣＤ（チャージ・カッ
プルド・デバイス）を始めとする固体撮像装置は、ビデ
オカメラにおいて幅広く使用されるようになり、その性
能も次第に改善，向上され、近時では汎用として十分に
実用化に供し得るレベルにまでなってきている。

【０００３】この固体撮像装置は、画素が規則正しくデ
ィスクリートに２次元に配置されているので、光学像に
対応した電気信号を歪みなく正確に取り出すことができ
るという特徴を有しており、ビデオカメラの画質の向上
に大きく貢献している。

【０００４】また、固体撮像装置では、感度を改善する
ために、各画素の上にいわゆるマイクロレンズと称され
る微小レンズを形成する技術も確立されつつある。これ
は、固体撮像装置の無効部分に入射した光を光電変換に
寄与するフォトダイオード上に集めて、開口率を従来の
３０％から６０％近くまで改善し、感度を２倍以上に向
上させようとするものである。

【０００５】すなわち、固体撮像装置は、光学像に対応
した電気信号を歪みなく正確に取り出すことができると
いう本来の特徴に加えて、各画素の上に微小レンズを形
成して感度を２倍以上に向上させるという技術改善が進
み、一般用のビデオカメラとしては略満足できる状況に
到達しているといえる。

【０００６】ところで、最近のテレビジョン受像機で
は、３０インチや４０インチなど大画面化が進み、画面
の中央から周辺までどの部分でも一様に鮮明な画像が得
られることが望まれている。この傾向は、次世代のＨＤ
ＴＶ（高品位テレビジョン）が実用化間近になって一層
強まってきている。

【０００７】特に、ＨＤＴＶでは、画面のアスペクト比
が９：１６と横長になり、さらに、迫力ある画像を楽し
むためには大画面化が必須であるといわれることから、
従来にも増して画像の均一性と高解像度で鮮明な画像を
望む要求は強く、この方面の改善は避けられない状況に
ある。

【０００８】ところが、画像の均一性，高解像度化を達
成するためには、撮像信号そのものがよくなければなら
ず、固体撮像装置に要求される特性は一層厳しいものに
なっている。

【０００９】さらに、最近では、半導体の微細加工技術
が進歩し、感光面が従来の１”，２／３”から１／
２”，１／３”，１／４”と小形になり、しかも、画素
数はＮＴＳＣ方式の３０万画素や４０万画素からＨＤＴ
Ｖでは１３０万画素や２００万画素が要求され、こうな
ると、１画素の大きさも５μｍ×５μｍ以下となり、光
の歪みや収差が無視できなくなる。

【００１０】一方、撮像レンズや色分解光学系の精度も
改善されてはきたが、大画面の光学像を中心から周辺ま
で解像度よく均一にしかもμｍオーダーで正確に形成す
ることはなかなか困難である。

【００１１】また、前述したマイクロレンズが画素の表
面に形成された固体撮像装置では、光が垂直方向に入っ
てくる画像の中央部分では、光が画素に効率よく集まる
が、画像の端の方では光の入射方向が斜めにずれてくる
ので、光が画素に効率よく集まらず、このため、中央部
と端部とでは一様な光が入った場合にも差が生じるなど
の問題が生じている。特に、カラー画像の場合には、こ
の光の差が色シェージングになり画質を損なうという不
都合を招いている。

【００１２】

【発明が解決しようとする課題】以上のように、従来の
固体撮像装置では、大画面化した場合画像の均一性及び
高解像度化を図ることが困難になるという問題を有して
いる。

【００１３】そこで、この発明は上記事情を考慮してな
されたもので、大画面化しても均一性に優れ高解像度で
鮮明な画像を得ることができる極めて良好な固体撮像装
置を提供することを目的とする。

【００１４】

【課題を解決するための手段】この発明に係る固体撮像
装置は、光学系を介して取り込まれた光学像が結像さ
れ、該光学像に対応した電気信号を得るものにおいて、
固体撮像装置の画素のピッチを中央から周辺に向かって
順次変化させるようにしている。

【００１５】また、この発明に係る固体撮像装置は、光
学系を介して取り込まれた光学像が結像され、該光学像
に対応した電気信号を得るもので、感光面上に画素に対
応したマイクロレンズが設けられたものにおいて、固体
撮像装置の画素のピッチとマイクロレンズのピッチとの
相対位置を、中央から周辺に向かって順次変化させるよ
うにしている。

【００１６】

【作用】上記のような構成によれば、光学系による光学
像の歪みを吸収して正しい画像信号が得られるようにな
り、大画面化しても均一性が優れ鮮明で高解像度の画像
を得ることができるようになる。

【００１７】

【実施例】以下、この発明の一実施例について図面を参
照して詳細に説明する。図１は、１個のＣＣＤでカラー
画像が得られるような、いわゆる単板式ＨＤＴＶカラー
カメラを示している。すなわち、撮影された被写体の光
学像は、撮像レンズ１１及び光学ＬＰＦ（ローパスフィ
ルタ）１２を介してＣＣＤ１３の感光面上に結像され
る。このＣＣＤ１３の感光面上には、図２に示すような
色フィルタが画素に合わせて形成されている。

【００１８】図２は、単板式カラーカメラで使用されて
いる色フィルタの配置を示したもので、例えばＭｇ［Ｒ
（赤）＋Ｂ（青）：マゼンタ］，Ｇ（緑），Ｙｅ（Ｒ＋
Ｇ：黄色），Ｃｙ（Ｇ＋Ｂ：シアン）の４色が繰り返し
配列されたものである。そして、この４色から得られる
電気信号を以下に述べる色分離回路に加えることによ
り、電子的な処理が施されてカラーカメラに必要なＲ，
Ｇ，Ｂの色信号が得られることになる。

【００１９】すなわち、上記ＣＣＤ１３からの出力信号
は、前置増幅回路１４に供給されて適当なレベルにまで
増幅された後、ＬＰＦ１５，１６及びＢＰＦ（バンドパ
スフィルタ）１７にそれぞれ供給される。このうち、Ｌ
ＰＦ１５は、３０ＭＨｚの広帯域を有しており、前置増
幅回路１４の出力信号中から色フィルタによって変調さ
れた成分を除去することにより、広帯域の輝度信号Ｙを
生成して出力端子１８に出力するものである。

【００２０】また、ＬＰＦ１６は、８ＭＨｚの狭帯域に
設定され、前置増幅回路１４の出力信号中から比較的狭
帯域の輝度信号Ｙを生成してマトリックス回路１９に出
力するものである。また、ＢＰＦ１７は、中心周波数３
７．１ＭＨｚで周波数帯域±８ＭＨｚの特性を持ち、前
置増幅回路１４の出力信号中から変調周波数成分を抽出
するものである。このＢＰＦ１７の出力信号は、同期検
波回路２０に供給されて検波される。

【００２１】この検波出力は、ここでは、２Ｒ−Ｇ，２
Ｂ−Ｇの信号が線順次で得られるので、両信号を同時化
回路２１で同時信号に変換した後、マトリックス回路１
９に出力している。そして、マトリックス回路１９で、
ＬＰＦ１６及び同時化回路２１の各出力が合成されて
Ｒ，Ｇ，Ｂの３原色信号が得られ、出力端子２２，２
３，２４からそれぞれ取り出される。なお、マトリック
ス回路１９としては、ＬＰＦ１６及び同時化回路２１の
各出力から、２つの色差信号Ｐｒ，Ｐｂを生成するもの
でもよい。

【００２２】ここで、図３（ａ）は、上記ＣＣＤ１３の
感光面の概略を示している。実際には、垂直方向１０３
５画素，水平方向１９２０画素で合計約２００万画素が
配列されているのであるが、説明の便宜上、ここでは垂
直方向６画素，水平方向１０画素として示している。画
素サイズは、中心が細かく周辺がやや粗くなっている
が、平均して垂直方向５．２μｍ，水平方向５．０μｍ
である。そして、感光面の全面積は、５．３８ｍｍ×
９．５５ｍｍとなる。

【００２３】さらに、詳細に説明すると、各画素は、中
心部分では標準より２％小さく垂直方向５．１μｍ，水
平方向４．９μｍとなり、周辺部分では２％大きく垂直
方向５．３μｍ，水平方向５．１μｍとなるように、徐
々にその大きさが変化している。このため、全体として
は逆樽型のような形状になっている。また、このＣＣＤ
１３に付加される色フィルタやマイクロレンズ等も、各
画素に対応して設けられるので同様に逆樽型に形成され
る。

【００２４】このＣＣＤ１３の動作は、クロック周波数
７４．２５ＭＨｚ，色信号搬送波周波数３７．１ＭＨｚ
に設定される。このため、輝度信号Ｙの帯域は３０ＭＨ
ｚ，解像度は約１０００ＴＶ本が得られる。また、色信
号の周波数帯域は十分に広いが、ＨＤＴＶカラーカメラ
に必要な８ＭＨｚに制限してＳ／Ｎの改善に充てられ
る。

【００２５】ところで、ＣＣＤ１３の感光面の形状を逆
樽型にした理由は、ＨＤＴＶ用の撮像レンズ１１で得ら
れる光学像は厳密に測ると多少の歪みがあって、図３
（ｂ）に示すように逆樽型に歪む傾向があるからであ
る。そこで、図３（ａ）に示すようにＣＣＤ１３の感光
面を逆樽型に形成することにより、撮像レンズ１１で得
られる光学像の歪みを相殺して、中心から周辺まで光学
像とＣＣＤ１３の画素とを正確に一致させることが可能
になる。

【００２６】すなわち、従来のように全て等しい大きさ
の画素でなる感光面を有するＣＣＤを用いると、撮像レ
ンズ１１で得られる光学像の歪みを補正や修正すること
が不可能であったが、上記のようにＣＣＤの各画素の大
きさを変化させ感光面の形状を撮像レンズ１１で得られ
る光学像の歪みに一致させることにより、画面のどの部
分でも位置ずれがなくなるため、感度が均一で解像度が
高く鮮明な画像を得ることができるようになる。

【００２７】次に、図４は、この発明の第２の実施例を
示すもので、ＣＣＤの画素を垂直方向には同一ピッチと
し、水平方向にのみ中心から周辺にいくにつれてピッチ
が広くなるように形成している。すなわち、これは、Ｈ
ＤＴＶの画像がアスペクト比９：１６であって水平方向
の広がりの方が歪みの影響が大きくでるため、水平方向
の歪みの影響を吸収することを主体としたものである。
また、製造についても図３（ａ）に示すように画素の大
きさを垂直方向，水平方向共に徐々に変化させるのに比
して容易であって、しかも略同等の効果を期待すること
ができる。

【００２８】また、図５は、この発明の第３の実施例を
示している。図５（ａ）は、中心から周辺に向かって画
素のピッチを垂直方向及び水平方向共に順次縮めて感光
面を樽型に形成した状態を示し、図５（ｂ）は、画素を
垂直方向には同一ピッチとし、水平方向にのみ中心から
周辺にいくにつれてピッチが順次縮まるように形成した
状態を示している。

【００２９】すなわち、図３及び図４に示した実施例で
は、画面の中心から周辺に向かって画素のピッチを順次
広げるようにしたが、撮像レンズ１１を含む光学系によ
る光学像の歪みの状況によっては、逆に、画面の中心か
ら周辺に向かって画素のピッチを順次縮めることが必要
となるからである。

【００３０】さらに、図６は、この発明の第４の実施例
を示している。上述した第１乃至第３の実施例では、Ｃ
ＣＤ１３の画素ピッチを変化させることについて説明し
たが、この第４の実施例では、ＣＣＤ１３とマイクロレ
ンズとの相対関係を変化させるようにしている。

【００３１】すなわち、図６（ａ）に示すようにＣＣＤ
１３の画素ピッチは全て一定のままで、同図（ｂ）に示
すようにマイクロレンズ２５のピッチを水平方向にのみ
中心から周辺に向かって順次縮めるようにしている。こ
のようにすると、図６（ｃ）に示すように、ＣＣＤ１３
の周辺では画素に比べてマイクロレンズの位置がやや内
側になり、丁度光の入射方向と一致するので、効率よく
光が画素上に集められることになる。そして、この方法
では、ＣＣＤ１３の画素ピッチは一定でよいので、ＣＣ
Ｄ１３に複雑な細工をする必要がなくＣＣＤ１３を安価
に製造することが可能となる。

【００３２】また、図７は、上記第４の実施例の変形例
を示している。すなわち、図７（ａ）に示すようにＣＣ
Ｄ１３の画素ピッチを水平方向にのみ中心から周辺に向
かって順次縮め、同図（ｂ）に示すようにマイクロレン
ズ２５のピッチを全て一定にするようにしている。この
場合でも、ＣＣＤ１３の周辺ではマイクロレンズ２５に
比べて画素の位置がやや外側になり、光の入射方向と一
致するので、効率よく光が画素上に集められ均一な出力
信号が得られるようになる。

【００３３】以上の各実施例の説明から明らかなよう
に、この発明によれば、従来不可能とされていたような
光学系による光学像の歪みを補正することが可能にな
り、均一な出力信号を得ることができるとともに、高解
像度の画像が得られるカラーカメラを実現できるという
大きな効果がある。特に、ＨＤＴＶカメラのように、従
来より一段と大画面で鮮明な画像が要求される場合に一
層効果を発揮することができる。

【００３４】また、従来は、中心から周辺まで光学像と
ＣＣＤの画素とを正確に一致させることは不可能であ
り、多少最適条件からずらせた状態で妥協して調整を行
なっていたが、この発明によれば、画像の全領域に渡っ
て正確に一致させることができ、解像度が向上するとと
もに、周辺での感度低下による色シェージングの発生も
防止することができる。また、光の損失がなく入射光を
有効に利用できるので、感度もよくなるという利点があ
る。

【００３５】さらに、従来は、光学像の収差を極力小さ
く追い込むように、撮像レンズや色分解光学系等の設計
に苦心し、レンズ枚数の増加による大型化や重量の増加
が避けられないものであったが、この発明によれば、同
一性能を得るための光学系の負担が軽減されるので、カ
メラ全体の小型軽量化が促進されるとともに、経済的に
も有利とすることができる。

【００３６】また、従来は、画像の中心部分は解像度の
よい鮮明な画像が得られても、周辺部分では不鮮明な画
像となって著しく見苦しい画面になりがちであったが、
この発明によれば、画面の中央から周辺まで均一に解像
度の高い鮮明な画像を得ることが可能となる。

【００３７】なお、図６及び図７の説明では、ＣＣＤ１
３の画素ピッチやマイクロレンズ２５のピッチを水平方
向にのみ変化させるようにしたが、必要に応じては垂直
方向に変化させることも可能なことはもちろんである。

【００３８】また、上記各実施例では、固体撮像装置と
してＣＣＤを使用したが、光導電膜を積層した積層型の
固体撮像素子、増幅機能を有する固体撮像素子、ＳＩＴ
等にも適用可能なことはいうまでもないことである。さ
らに、カラー用ＣＣＤに限らず、色フィルタを設けてい
ない白黒用の固体撮像装置に適用しても均一性及び高解
像度などの点で効果を得ることができる。また、この発
明は、ＣＣＤ１３を１個用いた単板式のカラーカメラに
有効なだけではなく、例えばＣＣＤを３個用いる３板式
のカラーカメラに適用しても同様な効果を得ることがで
きる。なお、この発明は上記各実施例に限定されるもの
ではなく、この外その要旨を逸脱しない範囲で種々変形
して実施することができる。

【００３９】

【発明の効果】以上詳述したようにこの発明によれば、
大画面化しても均一性に優れ高解像度で鮮明な画像を得
ることができる極めて良好な固体撮像装置を提供するこ
とができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明に係る固体撮像装置の一実施例を示す
ブロック構成図。

【図２】同実施例の色フィルタの配列を示す平面図。

【図３】同実施例の要部の構成を示す平面図。

【図４】この発明の第２の実施例を示す平面図。

【図５】この発明の第３の実施例を示す平面図。

【図６】この発明の第４の実施例を示す図。

【図７】同第４の実施例の変形例を示す図。

【符号の説明】

１１…撮像レンズ、１２…光学ＬＰＦ、１３…ＣＣＤ、
１４…前置増幅回路、１５，１６…ＬＰＦ、１７…ＢＰ
Ｆ、１８…出力端子、１９…マトリックス回路、２０…
同期検波回路、２１…同時化回路、２２〜２４…出力端
子、２５…マイクロレンズ。

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 光学系を介して取り込まれた光学像が結
   像され、該光学像に対応した電気信号を得る固体撮像装
   置において、前記固体撮像装置の画素のピッチを中央か
   ら周辺に向かって順次変化させたことを特徴とする固体
   撮像装置。
2. 【請求項２】 前記画素のピッチは、前記光学系による
   光学像の収差に対応させて変化させたことを特徴とする
   請求項１記載の固体撮像装置。
3. 【請求項３】 光学系を介して取り込まれた光学像が結
   像され、該光学像に対応した電気信号を得るもので、感
   光面上に画素に対応したマイクロレンズが設けられた固
   体撮像装置において、前記固体撮像装置の画素のピッチ
   と前記マイクロレンズのピッチとの相対位置を、中央か
   ら周辺に向かって順次変化させたことを特徴とする固体
   撮像装置。