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JP2006344880A - Imaging device with microlens - Google Patents

Imaging device with microlens Download PDF

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JP2006344880A
JP2006344880A JP2005170779A JP2005170779A JP2006344880A JP 2006344880 A JP2006344880 A JP 2006344880A JP 2005170779 A JP2005170779 A JP 2005170779A JP 2005170779 A JP2005170779 A JP 2005170779A JP 2006344880 A JP2006344880 A JP 2006344880A
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JP
Japan
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light receiving
axis direction
microlens
imaging
light
Prior art date
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Withdrawn
Application number
JP2005170779A
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Japanese (ja)
Inventor
Toru Takagi
徹 高木
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Nikon Corp
Original Assignee
Nikon Corp
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Publication date
Application filed by Nikon Corp filed Critical Nikon Corp
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  • Transforming Light Signals Into Electric Signals (AREA)
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Abstract

【課題】 カラーシェーディングを改善するための技術を提供する。
【解決手段】 まず、本発明の撮像装置は、撮像領域およびレンズアレイを備える。この撮像領域では、扁平形の受光域を有する受光素子を画素単位に面配列し、受光素子ごとの光電変換によって画像信号を生成する。一方、レンズアレイは、受光素子に対して入射光を集光するマイクロレンズを面配列したものである。この撮像領域の周辺部では、受光域の短軸方向に対向する外縁の内、撮像領域の中央から遠い外縁が、中央に近い外縁よりも、マイクロレンズの集光分布が暗く設定される。
【選択図】 図2
PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a technique for improving color shading.
First, an imaging apparatus of the present invention includes an imaging region and a lens array. In this imaging area, light receiving elements having a flat light receiving area are arranged in a pixel unit, and an image signal is generated by photoelectric conversion for each light receiving element. On the other hand, the lens array is a surface array of microlenses that collect incident light with respect to a light receiving element. In the peripheral portion of the imaging region, the outer edge far from the center of the imaging region among the outer edges facing the short axis direction of the light receiving region is set darker than the outer edge near the center.
[Selection] Figure 2

Description

本発明は、マイクロレンズを備えた撮像装置に関する。   The present invention relates to an imaging apparatus including a microlens.

従来、撮像装置の画素単位にマイクロレンズを配置し、入射光を各画素の受光域に集光するものが知られている。このようなマイクロレンズの配置により、各画素の受光効率を高めることが可能になる。
ところで、撮像領域の周辺付近では、撮影レンズ(テレセントリック光学系などの特殊な光学系を除く)を通過した光が斜め向きに入射する。そのため、周辺部の画素ではケラレなどが発生し、画像信号には周辺部が暗くなる輝度シェーディングが発生する。
2. Description of the Related Art Conventionally, there is known a technique in which a microlens is arranged for each pixel of an image pickup device and incident light is collected in a light receiving area of each pixel. With such a microlens arrangement, the light receiving efficiency of each pixel can be increased.
By the way, in the vicinity of the periphery of the imaging region, light that has passed through a photographing lens (excluding special optical systems such as a telecentric optical system) is incident obliquely. For this reason, vignetting or the like occurs in the peripheral pixels, and luminance shading that darkens the peripheral portions occurs in the image signal.

そこで、撮像領域の中央から離れるに従って、画素配列のピッチよりも小さなピッチでマイクロレンズをずらし配置するものが知られている(特許文献1など)。このずらし配置により、斜め入射光を各画素の受光域中央に集光することが可能になる。その結果、周辺部における受光効率が上がり、画像信号の輝度シェーディングを改善することが可能になる。
特開平1−213079号公報
Therefore, there is known a technique in which the microlenses are shifted and arranged at a pitch smaller than the pitch of the pixel array as the distance from the center of the imaging region increases (Patent Document 1, etc.). This shifted arrangement makes it possible to collect obliquely incident light at the center of the light receiving area of each pixel. As a result, the light receiving efficiency in the peripheral portion is increased, and the luminance shading of the image signal can be improved.
JP-A-1-213079

ところで、撮像装置にはカラーシェーディングという現象も生じる。このカラーシェーディングは、撮像領域の周辺に近づくに従って、画像信号のカラーバランスが変化し、画面周辺に色の偏りを生じる現象である。   Incidentally, a phenomenon called color shading also occurs in the imaging apparatus. This color shading is a phenomenon in which the color balance of the image signal changes as it approaches the periphery of the imaging region, and color deviation occurs around the screen.

図10は、従来のマイクロレンズずらしを施した従来装置に対し均一な白色光源を投影し、画像信号のカラーシェーディングを実測したデータである。
この図10では、R信号のカラーシェーディングを、下記の評価値S(R)で数値化している。
S(R)=[(VRL/VGL)−(VRC/VGC)]/(VRC/VGC)
…[1]
(ただし、撮像領域の中央画素のG値をVGC、R値をVRCとする。一方、撮像領域の周辺画素のG値をVGL、R値をVRLとする。)
このケースでは、横長画面の左右端についてはカラーシェーディングの抑制に一定の効果が見られる。しかし、画面の上下端では、カラーシェーディングが顕著に発生している。
FIG. 10 shows data obtained by actually measuring the color shading of an image signal by projecting a uniform white light source onto a conventional apparatus with a conventional microlens shift.
In FIG. 10, the color shading of the R signal is digitized by the following evaluation value S (R).
S (R) = [(VRL / VGL) − (VRC / VGC)] / (VRC / VGC)
... [1]
(However, the G value of the central pixel in the imaging region is VGC and the R value is VRC. On the other hand, the G value of the peripheral pixels in the imaging region is VGL and the R value is VRL.)
In this case, the left and right edges of the landscape screen have a certain effect on suppressing color shading. However, color shading is prominent at the upper and lower ends of the screen.

このように、特許文献1のマイクロレンズずらしでは、画面の一方向についてはカラーシェーディング抑制に一定の効果が得られるものの、他方向のカラーシェーディングについては補正が不十分になる。
ちなみに、一般的な考えでは、画面中心に近い上下端の方が、左右端よりも入射光の傾きが小さいなど画素の受光条件に優れるため、カラーシェーディングに有利と思われる。しかしながら、上述した図10は、逆の結果を示しており、この原因を説明することができなかった。
As described above, with the microlens shift of Patent Document 1, a certain effect can be obtained in suppressing color shading in one direction of the screen, but correction is insufficient for color shading in the other direction.
Incidentally, the general idea is that the upper and lower ends near the center of the screen are superior in light receiving conditions for pixels, such as the inclination of incident light being smaller than the left and right ends, and are considered advantageous for color shading. However, FIG. 10 described above shows the opposite result, and this cause could not be explained.

本発明は、上述した問題点に鑑みて、カラーシェーディングを良好に改善するための技術を提供することを目的とする。   In view of the above-described problems, an object of the present invention is to provide a technique for satisfactorily improving color shading.

まず、本発明の撮像装置に共通する構造は、撮像領域およびレンズアレイを備える点である。この撮像領域では、扁平形の受光域を有する受光素子を画素単位に面配列し、受光素子ごとの光電変換によって画像信号を生成する。一方、レンズアレイは、受光素子に対して入射光を集光するマイクロレンズを面配列したものである。   First, a structure common to the imaging apparatus of the present invention is that an imaging area and a lens array are provided. In this imaging area, light receiving elements having a flat light receiving area are arranged in a pixel unit, and an image signal is generated by photoelectric conversion for each light receiving element. On the other hand, the lens array is a surface array of microlenses that collect incident light with respect to a light receiving element.

《1》 第1の発明では、受光域の短軸方向におけるマイクロレンズのピッチを、長軸方向におけるマイクロレンズのピッチよりも短くする。 << 1 >> In the first invention, the pitch of the microlenses in the minor axis direction of the light receiving area is made shorter than the pitch of the microlenses in the major axis direction.

《2》 第2の発明では、撮像領域の少なくとも周辺部において、受光域に対して、マイクロレンズを撮像領域の中央方向へずらして配置する。この場合に、マイクロレンズのずらし幅を、受光域の長軸方向よりも短軸方向の方が大きくなるようにする。 << 2 >> In the second aspect of the invention, the microlens is arranged so as to be shifted in the central direction of the imaging area with respect to the light receiving area at least in the periphery of the imaging area. In this case, the shift width of the microlens is set to be larger in the minor axis direction than in the major axis direction of the light receiving area.

《3》 第3の発明では、撮像領域の少なくとも周辺部では、受光域の短軸方向に対向する外縁の内、撮像領域の中央から遠い外縁が、中央に近い外縁よりも、マイクロレンズの集光分布が暗いことを特徴とする。 << 3 >> In the third invention, at least in the periphery of the imaging region, the outer edge far from the center of the imaging region out of the outer edges facing the short axis direction of the light receiving region is more concentrated than the outer edge closer to the center. The light distribution is dark.

《4》 なお好ましくは、撮像領域への入射光を色分解するカラーフィルタを面配列したカラーフィルタアレイを備える。このカラーフィルタは、マイクロレンズから受光域へ至る光路上に配置される。 << 4 >> Preferably, a color filter array in which color filters for color-separating incident light to the imaging region are arranged is provided. The color filter is disposed on the optical path from the microlens to the light receiving area.

撮像装置の画素ごとの受光域は、正方形や円形などの一部のケースを除き、少なからず扁平した形状となる。本発明者は、この扁平形状の短軸方向と、カラーシェーディングの発生方向とが一致することに気が付いた。そこで、本発明者は、扁平形の長軸方向と短軸方向のそれぞれについてマイクロレンズの配置または形状を適正化することを検討し、カラーシェーディングを良好に補正することに成功した。
具体的には、本発明者は、次の(1)〜(3)のいずれかの条件によって、撮像装置のカラーシェーディングが改善できることを突き止めた。
The light receiving area for each pixel of the imaging device has a flat shape, except for some cases such as a square and a circle. The present inventor has noticed that the short axis direction of the flat shape matches the direction in which color shading occurs. Therefore, the present inventor has studied to optimize the arrangement or shape of the microlenses in each of the flat major axis direction and the minor axis direction, and succeeded in correcting color shading satisfactorily.
Specifically, the present inventor has found that the color shading of the imaging apparatus can be improved by any one of the following conditions (1) to (3).

(1)従来、長軸方向と短軸方向でほぼ等しかったマイクロレンズのピッチを意図的に変更する。具体的には、短軸方向におけるマイクロレンズのピッチを、長軸方向におけるマイクロレンズのピッチよりも実質的に短くする。実験(後述)によれば、この新規構成によって、カラーシェーディングを改善できることが実証されている。 (1) The pitch of the microlenses that has been conventionally substantially equal in the major axis direction and the minor axis direction is intentionally changed. Specifically, the pitch of the microlenses in the minor axis direction is made substantially shorter than the pitch of the microlenses in the major axis direction. Experiments (described later) demonstrate that this new configuration can improve color shading.

(2)従来、長軸方向と短軸方向でほぼ等しかったマイクロレンズのずらし幅を意図的に変更する。具体的には、短軸方向におけるマイクロレンズのずらし幅を、長軸方向におけるマイクロレンズのずらし幅よりも実質的に大きくする。実験(後述)によれば、この新規構成によって、カラーシェーディングを改善できることが実証されている。 (2) The shift width of the microlens, which has conventionally been substantially equal in the major axis direction and the minor axis direction, is intentionally changed. Specifically, the shift width of the microlens in the short axis direction is substantially larger than the shift width of the microlens in the long axis direction. Experiments (described later) demonstrate that this new configuration can improve color shading.

(3)従来、マイクロレンズの集光中心は、画素内の受光域の中央に位置するように設定されていた。特許文献1のずらし配置も、撮像領域の周辺部において、マイクロレンズの集光中心を受光域中央に略一致させることが目的であった。この場合、受光域中央をピークとする集光分布により、受光域の対向する外縁の明るさはほぼ等しいものとなる。この従来のバランスを意図的に崩す。具体的には、短軸方向に対向する外縁の内、撮像領域の外寄りの外縁を、撮像領域の中央寄りの外縁よりも実質的に暗い集光分布に設定する。このような新規構成によって、カラーシェーディングやクロストークを改善することが可能になる。 (3) Conventionally, the condensing center of the microlens has been set to be located at the center of the light receiving area in the pixel. The purpose of the shifted arrangement of Patent Document 1 is also to make the condensing center of the microlens substantially coincide with the center of the light receiving area in the periphery of the imaging area. In this case, the brightness of the opposing outer edges of the light receiving area is substantially equal due to the light collection distribution having the peak at the center of the light receiving area. This conventional balance is intentionally broken. Specifically, out of the outer edges facing in the minor axis direction, the outer edge closer to the imaging area is set to a light collection distribution substantially darker than the outer edge closer to the center of the imaging area. With such a new configuration, color shading and crosstalk can be improved.

なお、上述した短軸方向と長軸方向に対するマイクロレンズの配置差や形状差は、無制限に行うものではない。受光素子に対して入射光を集光するというマイクロレンズ本来の機能を維持する範囲に限定して実施されることは勿論である。   In addition, the arrangement | positioning difference and shape difference of a micro lens with respect to the short-axis direction mentioned above and a long-axis direction are not performed without an unlimited. Needless to say, the present invention is limited to a range in which the original function of the microlens for collecting incident light to the light receiving element is maintained.

《画素構造の説明》
図1は、撮像装置11の画素断面を示す図である。
最初に、図1を用いて、撮像装置11の一般的な画素構造について説明する。
撮像装置11の撮像領域には、扁平形(ここでは撮像面上方から見て長方形)の受光域12を有する受光素子12aが、所定の画素ピッチで面配列される。これら受光域12の上層には、レンズアレイ13aが配置される。レンズアレイ13aは、個々の受光素子12aに対して入射光を集光するマイクロレンズ13を面配列して構成される。
<Description of pixel structure>
FIG. 1 is a diagram illustrating a pixel cross section of the imaging device 11.
First, a general pixel structure of the imaging device 11 will be described with reference to FIG.
In the imaging region of the imaging device 11, light receiving elements 12 a having a light receiving area 12 having a flat shape (in this case, a rectangle when viewed from above the imaging surface) are arranged in a plane with a predetermined pixel pitch. A lens array 13 a is arranged on the upper layer of these light receiving areas 12. The lens array 13a is configured by arranging microlenses 13 that condense incident light with respect to individual light receiving elements 12a.

マイクロレンズ13と受光素子12aとの間には、カラーフィルタアレイ15の層が配置される。このカラーフィルタアレイ15は、RGBベイヤ配列のカラーフィルタ14を、マイクロレンズ13と受光域12とを結ぶ光路上に配置したものである。
なお、隣接する受光域12の間には、遮光膜16などが設けられる。この遮光膜16の下には、受光素子12aから信号を読み出すための転送回路(不図示)や回路素子(不図示)などが形成される。
A layer of the color filter array 15 is arranged between the microlens 13 and the light receiving element 12a. In this color filter array 15, RGB color filters 14 are arranged on an optical path connecting the microlens 13 and the light receiving area 12.
A light shielding film 16 or the like is provided between adjacent light receiving areas 12. Under this light shielding film 16, a transfer circuit (not shown), a circuit element (not shown) and the like for reading a signal from the light receiving element 12a are formed.

《マイクロレンズ13の特性条件》
本実施形態は、次の条件1〜3のいずれかを少なくとも満足するように、マイクロレンズ13の配置や形状を設計する。なお、条件1〜3の実現は、受光域12に光を集光するというマイクロレンズ13本来の機能を維持する範囲で、調整的に実施される。
<< Characteristic conditions of microlens 13 >>
In the present embodiment, the arrangement and shape of the microlens 13 are designed so as to satisfy at least one of the following conditions 1 to 3. The conditions 1 to 3 are realized in an adjusted manner within a range in which the original function of the microlens 13 for condensing light in the light receiving area 12 is maintained.

[条件1]
図2に示すように、短軸方向のレンズピッチLbを、長軸方向のレンズピッチLaよりも短く設定する。
(短軸方向のレンズピッチLb)<(長軸方向のレンズピッチLa) …[2]
なお、長軸方向の画素ピッチRaと短軸方向の画素ピッチRbとが異なる場合には、この関係は、下記のスケーリング値の関係によって規定することができる。
(短軸方向のスケーリング値Lb/Rb)<(長軸方向のスケーリング値La/Ra)
…[3]
ちなみに、撮像領域の全域においてマイクロレンズ13が長軸方向・短軸方向で独立に一定ピッチに配置される場合には、この条件1を満足するように設計することが好ましい。
[Condition 1]
As shown in FIG. 2, the lens pitch Lb in the short axis direction is set shorter than the lens pitch La in the long axis direction.
(Lens pitch direction lens pitch Lb) <(Long axis direction lens pitch La) [2]
When the pixel pitch Ra in the major axis direction is different from the pixel pitch Rb in the minor axis direction, this relationship can be defined by the following scaling value relationship.
(Scaling value Lb / Rb in the short axis direction) <(Scaling value La / Ra in the long axis direction)
... [3]
Incidentally, when the microlenses 13 are arranged at a constant pitch independently in the major axis direction and the minor axis direction in the entire imaging region, it is preferable to design so as to satisfy this condition 1.

[条件2]
条件2では、撮像領域の少なくとも周辺部において、受光域12に対するマイクロレンズ13のずらし幅を、短軸方向が長軸方向よりも大きくなるように設定する。
まず、図3に示すように、撮像領域の中心から長軸方向にKaだけ離れた周辺画素において、長軸方向のずらし幅をZaとする。一方、撮像領域の中心から短軸方向にKbだけ離れた周辺画素において、短軸方向のずらし幅をZbとする。
このとき、Ka≒Kbの場合には、下式を満たすようにレンズ配列を設定する。
(短軸方向のずらし幅Zb)>(長軸方向のずらし幅Za) …[4]
なお、Ka≠Kbの一般的な場合には、この関係は、下記の正規化された条件によって規定することができる。
(短軸方向のずらし幅Zb/Kb)>(長軸方向のずらし幅Za/Ka) …[5]
この条件2は、条件1よりも一般的な条件である。したがって、撮像領域内においてマイクロレンズ13のピッチを変化させるようなケースにも適用可能な条件である。
[Condition 2]
In condition 2, the shift width of the microlens 13 with respect to the light receiving area 12 is set so that the minor axis direction is larger than the major axis direction at least in the periphery of the imaging area.
First, as shown in FIG. 3, the shift width in the major axis direction is set to Za in the peripheral pixels separated by Ka in the major axis direction from the center of the imaging region. On the other hand, the shift width in the short axis direction is Zb in the peripheral pixels separated by Kb in the short axis direction from the center of the imaging region.
At this time, if Ka≈Kb, the lens arrangement is set so as to satisfy the following expression.
(Mission width Zb in the minor axis direction)> (Mission width Za in the major axis direction) [4]
In the general case where Ka ≠ Kb, this relationship can be defined by the following normalized condition.
(Short axis direction shift width Zb / Kb)> (Long axis direction shift width Za / Ka) [5]
Condition 2 is a more general condition than condition 1. Therefore, the condition is applicable to a case where the pitch of the microlenses 13 is changed in the imaging region.

[条件3]
従来のマイクロレンズずらしでは、周辺部の斜め入射光がマイクロレンズ13を介して、受光域12の中央に集光分布するように、マイクロレンズ13のずらし幅を決定していた。その結果、図4[A]に示すように、受光域12の中心に対してほぼ点対称に光が分布する。この場合、受光域12の対向する外縁は、ほぼ同等の明るさとなる。
条件3では、この外縁の明るさバランスを短軸方向について意図的にずらす。すなわち、短軸方向において撮像領域の外寄りの外縁を、中央寄りの外縁よりも暗い集光分布に設定する。
このような条件3の設定は、上述したマイクロレンズ13の短軸方向のずらし配置や、マイクロレンズ13のレンズ形状を短軸方向に偏らせるなどによって実現することができる。
[Condition 3]
In the conventional microlens shift, the shift width of the microlens 13 is determined so that obliquely incident light in the peripheral portion is condensed and distributed in the center of the light receiving area 12 via the microlens 13. As a result, as shown in FIG. 4A, the light is distributed almost symmetrically with respect to the center of the light receiving area 12. In this case, the opposing outer edges of the light receiving area 12 have substantially the same brightness.
In condition 3, the brightness balance of the outer edge is intentionally shifted in the minor axis direction. That is, the outer edge on the outer side of the imaging region in the short axis direction is set to a darker light collection distribution than the outer edge near the center.
Such setting of Condition 3 can be realized by shifting the short-axis direction of the microlens 13 described above or by biasing the lens shape of the microlens 13 in the short-axis direction.

《マイクロレンズ13の設計例について》
次に、マイクロレンズ13の具体的な設計例について、具体的な実験データをあげて説明する。
ここでは、次の条件の撮像装置11について設計する。
(1)受光域12は、縦横比1:1.7程度の長方形状
(2)画素ピッチは縦横に等しい。
<< Design Example of Micro Lens 13 >>
Next, a specific design example of the microlens 13 will be described with specific experimental data.
Here, the imaging device 11 under the following conditions is designed.
(1) The light receiving area 12 has a rectangular shape with an aspect ratio of about 1: 1.7. (2) The pixel pitch is equal to the vertical and horizontal directions.

図5〜図7は、マイクロレンズ13のスケーリング値を変更しながら、受光域12のカラーシェーディングS(R)を実測したデータである。図中の[A]には、長軸方向のカラーシェーディングS(R)を示す。図中の[B]には、短軸方向のカラーシェーディングS(R)を示す。   5 to 7 are data obtained by actually measuring the color shading S (R) of the light receiving area 12 while changing the scaling value of the microlens 13. [A] in the figure indicates color shading S (R) in the major axis direction. [B] in the figure indicates color shading S (R) in the minor axis direction.

なお、図5〜図7は、マイクロレンズ13のレンズ形状が異なるが、その他の測定条件は等しく、次の通りである。
光源:色温度5100Kの白色光源
使用レンズ:AiNikkor50mmf1.4
使用f値:5.6
5-7, although the lens shape of the microlens 13 differs, other measurement conditions are equal and are as follows.
Light source: White light source with a color temperature of 5100K Lens: AiNikkor50mmf1.4
Use f value: 5.6

このように求めたカラーシェーディングS(R)の実測データを、長軸方向および短軸方向それぞれについて2次関数で近似する。すると、スケーリング値の変更に応じて、2次関数の2次係数が顕著に変化することがわかる。このことから、カラーシェーディングS(R)の色変化の内、2次項に該当する成分をマイクロレンズ13のずらし配置によって補正できることが分かる。この場合、2次係数をゼロにすることによって、カラーシェーディングを最小化することができる。   The actually measured data of the color shading S (R) thus obtained is approximated by a quadratic function in each of the major axis direction and the minor axis direction. Then, it turns out that the secondary coefficient of a quadratic function changes notably according to the change of a scaling value. From this, it can be seen that the component corresponding to the quadratic term in the color change of the color shading S (R) can be corrected by shifting the microlens 13. In this case, color shading can be minimized by setting the secondary coefficient to zero.

図8は、このような観点から、スケーリング値と、そのスケーリング値における2次係数とをプロットしたデータである。図8[A]は、長軸方向について示したデータである。このデータから、長軸方向における適正なスケーリング値は0.99994程度となる。一方、図8[B]は、短軸方向について示したデータである。このデータを外延することにより、適正なスケーリング値は0.99985程度と推測できる。   FIG. 8 shows data obtained by plotting the scaling value and the secondary coefficient at the scaling value from such a viewpoint. FIG. 8A shows data shown in the long axis direction. From this data, an appropriate scaling value in the major axis direction is about 0.99994. On the other hand, FIG. 8B is data shown for the minor axis direction. By extending this data, it can be estimated that an appropriate scaling value is about 0.99985.

以上の実験から、マイクロレンズ13について次の設計データが得られる。
マイクロレンズ13の長軸方向のスケーリング値:0.99994
マイクロレンズ13の短軸方向のスケーリング値:0.99985
From the above experiment, the following design data is obtained for the microlens 13.
Scaling value in the long axis direction of the microlens 13: 0.99994
Scaling value in the minor axis direction of the microlens 13: 0.99985

このスケーリング値に基づいて、マイクロレンズ13(レンズアレイ13a)を形成することにより、画面全域にわたってカラーシェーディングを良好に補正することが可能になる。その結果、図10で示したような画面上下のみにカラーシェーディングが生じるといった現象を改善することが可能になる。   By forming the microlens 13 (lens array 13a) based on this scaling value, it becomes possible to satisfactorily correct color shading over the entire screen. As a result, it is possible to improve the phenomenon that color shading occurs only at the top and bottom of the screen as shown in FIG.

さらに、カラーフィルタ14については、このマイクロレンズ13と受光域12とを結ぶ光路上に改めて配置設定することが好ましい。例えば、マイクロレンズ13のスケーリング値に基づいて、カラーフィルタ14のスケーリング値を次のように設定すればよい。
カラーフィルタ14の長軸方向のスケーリング値:0.99997
カラーフィルタ14の短軸方向のスケーリング値:0.999925
なお、ここでのマイクロレンズ13の設計データは、上述した条件1〜3をいずれも満足する。
Further, it is preferable that the color filter 14 is disposed again on the optical path connecting the microlens 13 and the light receiving area 12. For example, the scaling value of the color filter 14 may be set as follows based on the scaling value of the microlens 13.
Scaling value in the major axis direction of the color filter 14: 0.99997
Scaling value in the minor axis direction of the color filter 14: 0.999925
The design data of the microlens 13 here satisfies all of the above conditions 1 to 3.

《本実施形態の仮説説明》
以下、上述したカラーシェーディングの補正原理について仮説説明を試みる。
<< Explanation of the hypothesis of this embodiment >>
In the following, a hypothetical explanation of the above-described color shading correction principle will be made.

[カラーシェーディングの発生原因]
ここでは、短軸方向に生じるカラーシェーディングの主原因を、受光域12の外縁から遮光膜16(配線層など光を伝搬する層全般を含む)に潜り込む迷光と推測する。
この迷光が隣接画素に到達して、異なる色成分として光電変換されることにより、異色クロストークが発生する。
この異色クロストークが全ての色信号について均一に発生すれば、色バランスは変化せず、カラーシェーディングは発生しない。
しかし、カラーフィルタ14では、Gフィルタの透過率が、RBフィルタの透過率よりも高い。デジタルカメラなどでは、赤外カットフィルタを挿入することが多く、その傾向が更に強くなる。そのため、RB画素に混入するG迷光の方が、G画素に混入するRB迷光よりも明るく、迷光によるクロストークは、RB信号を強める方向に働きやすい。
その結果、迷光の発生領域では、色バランスが変化して、カラーシェーディングが発生する。
[Cause of color shading]
Here, it is assumed that the main cause of color shading that occurs in the minor axis direction is stray light that enters the light shielding film 16 (including all layers that propagate light such as a wiring layer) from the outer edge of the light receiving region 12.
This stray light reaches an adjacent pixel and is photoelectrically converted as a different color component, thereby generating a different color crosstalk.
If this different color crosstalk occurs uniformly for all color signals, the color balance does not change and color shading does not occur.
However, in the color filter 14, the transmittance of the G filter is higher than the transmittance of the RB filter. In digital cameras and the like, an infrared cut filter is often inserted, and this tendency is further strengthened. Therefore, the G stray light mixed in the RB pixel is brighter than the RB stray light mixed in the G pixel, and the crosstalk due to the stray light tends to work in the direction of strengthening the RB signal.
As a result, in the stray light generation region, the color balance changes and color shading occurs.

[カラーシェーディングの方向性の原因]
続いて、図10に示したようなカラーシェーディングの方向性と、受光域12の形状との関係について説明する。
まず、受光域12は、扁平形である。そのため、図4[A]に示すように、短軸方向に対向する外縁は、マイクロレンズ13の集光中心から比較的近く、明るくなる。一方、長軸方向に対向する外縁は、マイクロレンズ13の集光中心から比較的遠くなり、暗くなる。そのため、外縁の明るい短軸方向に迷光が強く発生する。そのため、受光域12の短軸方向には、長軸方向よりもカラーシェーディングが発生しやすくなる。
[Cause of directionality of color shading]
Next, the relationship between the direction of color shading as shown in FIG. 10 and the shape of the light receiving area 12 will be described.
First, the light receiving area 12 has a flat shape. Therefore, as shown in FIG. 4A, the outer edge facing in the minor axis direction is relatively close to the condensing center of the microlens 13 and becomes brighter. On the other hand, the outer edge facing in the major axis direction is relatively far from the light collection center of the microlens 13 and darkens. For this reason, stray light is strongly generated in the bright short axis direction of the outer edge. Therefore, color shading is more likely to occur in the minor axis direction of the light receiving area 12 than in the major axis direction.

[短軸方向のカラーシェーディング対策]
次に、上述した仮説に基づいて、短軸方向のカラーシェーディング対策を考える。
図9[A]に示すように、撮像領域の周辺部には、撮像領域の外側に向かって傾いた斜め入射光が到来する。この入射光の向きにより、この撮像領域の外側に向かって迷光が発生しやすくなる。
[Measures for color shading in the short axis direction]
Next, based on the above hypothesis, a measure for color shading in the minor axis direction will be considered.
As shown in FIG. 9A, oblique incident light tilted toward the outside of the imaging region arrives at the periphery of the imaging region. Depending on the direction of the incident light, stray light tends to be generated toward the outside of the imaging region.

そこで、図4[B]に示すように、受光域12の集光分布を短軸方向に沿って、撮像領域の中心線寄りに偏らせる。これによって、短軸方向に対向する外縁の内、外寄りの外縁が暗くなる。そのため、この外寄りの外縁で発生する迷光が少なくなり、クロストーク発生が抑制できる。   Therefore, as shown in FIG. 4B, the light collection distribution in the light receiving area 12 is biased toward the center line of the imaging area along the minor axis direction. As a result, of the outer edges facing in the minor axis direction, the outer edge is darkened. Therefore, the stray light generated at the outer edge is reduced, and the occurrence of crosstalk can be suppressed.

ところで、集光分布を単純にずらした場合には、図4[B]に示すように、外寄りの外縁が暗くなった代わりに、中央寄りの外縁が明るくなる。しかし、図9[B]に示すように、中央寄りの外縁は、潜り込みにくい向きに斜入射光が当たるため、迷光はさほど増えない。そのため、これによるクロストークおよびカラーシェーディングの弊害は小さい。   By the way, when the condensing distribution is simply shifted, as shown in FIG. 4B, the outer edge on the center becomes bright instead of the outer edge on the outer side becoming dark. However, as shown in FIG. 9B, since the obliquely incident light hits the outer edge closer to the center in a direction in which it is difficult to sink, stray light does not increase so much. Therefore, the adverse effects of crosstalk and color shading are small.

もちろん、受光域12に対して集光分布を偏らせ過ぎた場合には、短軸方向に輝度シェーディングが顕著に現れてしまう。したがって、輝度シェーディングとカラーシェーディングとのバランスを取った範囲内で、集光分布を偏らせることが好ましい。   Of course, when the light collection distribution is excessively biased with respect to the light receiving area 12, luminance shading appears remarkably in the minor axis direction. Therefore, it is preferable to bias the light collection distribution within a range in which luminance shading and color shading are balanced.

以上のカラーシェーディング対策は、本実施形態の条件1〜3と結果において一致する。なお、本実施形態の条件1〜3は、マイクロレンズ13のずらし配置や形状設計の試行実験から、発見的に得た条件である。そのため、ここで述べた仮説の当否にかかわらず、本実施形態の条件1〜3は、カラーシェーディングの補正に対して有効である。   The above color shading countermeasures agree with the conditions 1 to 3 of this embodiment. Conditions 1 to 3 of the present embodiment are conditions heuristically obtained from a trial experiment of the shifted arrangement and shape design of the microlens 13. Therefore, regardless of whether the hypothesis described here is true or not, Conditions 1 to 3 of this embodiment are effective for correcting color shading.

《実施形態の補足事項》
なお、本実施形態は、撮像装置11の読み出し構造に限定されない。例えば、撮像装置11には、CMOS方式などのXYアドレス読み出し方式、CCD方式、また画素単位に増幅素子を備えた読み出し構造などを採用することができる。
<< Additional items of embodiment >>
Note that the present embodiment is not limited to the readout structure of the imaging device 11. For example, the imaging apparatus 11 can employ an XY address reading method such as a CMOS method, a CCD method, or a reading structure including an amplifying element for each pixel.

また、本実施形態では、長方形の受光域12について説明した。しかしながら、実施形態は、扁平形の受光域12であればよい。例えば、楕円形や扁平十字形やT字形その他の受光域12でもよい。   In the present embodiment, the rectangular light receiving area 12 has been described. However, the embodiment may be a flat light receiving area 12. For example, the light receiving area 12 may be an elliptical shape, a flat cross shape, a T shape, or the like.

なお、本実施形態では、受光域12の長軸方向と短軸方向とが直交するケースについて説明した。しかしながら、実施形態はこれに限定されるものではない。受光域12の形状によっては、長軸方向と短軸方向とが直交しないケースもある。   In the present embodiment, the case where the major axis direction and the minor axis direction of the light receiving area 12 are orthogonal to each other has been described. However, the embodiment is not limited to this. Depending on the shape of the light receiving area 12, the major axis direction and the minor axis direction may not be orthogonal.

また、本実施形態では、縦横マトリクスに画素配列を行うケースについて説明した。しかしながら、実施形態はこれに限定されるものではない。例えば、本実施形態の条件1〜3はハニカム配列その他の画素配列にも適用可能である。   In the present embodiment, the case where pixel arrangement is performed in a vertical and horizontal matrix has been described. However, the embodiment is not limited to this. For example, Conditions 1 to 3 of the present embodiment can be applied to a honeycomb array and other pixel arrays.

なお、本実施形態では、RGBベイヤ配列のカラーフィルタアレイ15について説明した。しかしながら、実施形態はこれに限定されるものではない。   In the present embodiment, the color filter array 15 having the RGB Bayer array has been described. However, the embodiment is not limited to this.

また、本実施形態では、受光域12の短軸方向が、撮像領域の短辺方向に一致するケースについて説明した。しかしながら、実施形態はこれに限定されるものではない。例えば、一般的なインタライン型CCD撮像素子では、画素の縦列単位に垂直CCDを備えるため、画素の受光域は縦長形状となる。この場合、受光域の短軸方向は、撮像領域の長辺方向と一致する。   Further, in the present embodiment, the case where the short axis direction of the light receiving area 12 matches the short side direction of the imaging area has been described. However, the embodiment is not limited to this. For example, in a general interline type CCD image pickup device, a vertical CCD is provided for each column of pixels, so that the light receiving area of the pixel has a vertically long shape. In this case, the short axis direction of the light receiving area coincides with the long side direction of the imaging area.

なお、本実施形態の設計例では、RG間のカラーシェーディングS(R)を用いた。しかしながら、実施形態はこれに限定されるものではない。例えば、BG間のカラーシェーディングS(B)を用いて設計を行ってもよい。また例えば、マイクロレンズ13の光学シミュレーションで検証することによって、条件1〜3のいずれかを満足する設計を行うことも可能である。   In the design example of this embodiment, color shading S (R) between RGs is used. However, the embodiment is not limited to this. For example, the design may be performed using color shading S (B) between BGs. Further, for example, by verifying with an optical simulation of the microlens 13, it is possible to perform a design that satisfies any of the conditions 1 to 3.

以上説明したように、本発明は、マイクロレンズを備えた撮像装置などに利用可能な技術である。   As described above, the present invention is a technique that can be used for an imaging apparatus including a microlens.

撮像装置11の画素断面を示す図である。3 is a diagram illustrating a pixel cross section of the imaging device 11. FIG. マイクロレンズ13の条件1を説明する図である。It is a figure explaining the condition 1 of the micro lens. マイクロレンズ13の条件2を説明する図である。It is a figure explaining the condition 2 of the micro lens. マイクロレンズ13の条件3を説明する図である。It is a figure explaining the condition 3 of the micro lens 13. FIG. カラーシェーディングの実測データを示す図である。It is a figure which shows the actual measurement data of color shading. カラーシェーディングの実測データを示す図である。It is a figure which shows the actual measurement data of color shading. カラーシェーディングの実測データを示す図である。It is a figure which shows the actual measurement data of color shading. スケーリング値と、カラーシェーディングの2次係数とをプロットしたデータである。This is data in which the scaling value and the secondary coefficient of color shading are plotted. 迷光によるクロストークを説明する図である。It is a figure explaining the crosstalk by a stray light. 従来のカラーシェーディングの実験データである。This is experimental data for conventional color shading.

符号の説明Explanation of symbols

11…撮像装置,12…受光域,12a…受光素子,13…マイクロレンズ,13a…レンズアレイ,14…カラーフィルタ,15…カラーフィルタアレイ,16…遮光膜
DESCRIPTION OF SYMBOLS 11 ... Imaging device, 12 ... Light-receiving area, 12a ... Light receiving element, 13 ... Micro lens, 13a ... Lens array, 14 ... Color filter, 15 ... Color filter array, 16 ... Light-shielding film

Claims (4)

扁平形の受光域を有する受光素子を画素単位に面配列し、前記受光素子ごとの光電変換によって画像信号を生成する撮像領域と、
前記受光素子に対して入射光を集光するマイクロレンズを面配列したレンズアレイとを備え、
前記受光域の短軸方向における前記マイクロレンズのピッチは、長軸方向におけるマイクロレンズのピッチよりも短い
ことを特徴とする撮像装置。
An imaging region in which light receiving elements having a flat light receiving area are arranged in units of pixels, and an image signal is generated by photoelectric conversion for each light receiving element;
A lens array in which microlenses that collect incident light with respect to the light receiving element are arranged in a plane;
The pitch of the micro lens in the short axis direction of the light receiving area is shorter than the pitch of the micro lens in the long axis direction.
扁平形の受光域を有する受光素子を画素単位に面配列し、前記受光素子ごとの光電変換によって画像信号を生成する撮像領域と、
前記受光素子に対して入射光を集光するマイクロレンズを面配列したレンズアレイとを備え、
前記撮像領域の周辺部では、前記受光域に対して前記マイクロレンズを前記撮像領域の中央方向へずらして配置し、
前記マイクロレンズのずらし幅は、前記受光域の長軸方向よりも短軸方向の方が大きい
ことを特徴とする撮像装置。
An imaging region in which light receiving elements having a flat light receiving area are arranged in units of pixels, and an image signal is generated by photoelectric conversion for each light receiving element;
A lens array in which microlenses that collect incident light with respect to the light receiving element are arranged in a plane;
In the peripheral part of the imaging area, the microlens is shifted from the light receiving area in the center direction of the imaging area,
The image pickup apparatus, wherein the shift width of the microlens is larger in the minor axis direction than in the major axis direction of the light receiving area.
扁平形の受光域を有する受光素子を画素単位に面配列し、前記受光素子ごとの光電変換によって画像信号を生成する撮像領域と、
前記受光素子に対して入射光を集光するマイクロレンズを面配列したレンズアレイとを備え、
前記撮像領域の周辺部では、前記受光域の短軸方向に対向する外縁の内、前記撮像領域の中央から遠い前記外縁が、前記中央に近い前記外縁よりも、前記マイクロレンズの集光分布が暗い
ことを特徴とする撮像装置。
An imaging region in which light receiving elements having a flat light receiving area are arranged in units of pixels, and an image signal is generated by photoelectric conversion for each light receiving element;
A lens array in which microlenses that collect incident light with respect to the light receiving element are arranged in a plane;
In the periphery of the imaging region, the outer edge far from the center of the imaging region among the outer edges facing the short axis direction of the light receiving region has a light collection distribution of the microlens more than the outer edge near the center. An imaging device characterized by darkness.
請求項1ないし請求項3のいずれか1項に記載の撮像装置において、
前記撮像領域への入射光を色分解するカラーフィルタを面配列したカラーフィルタアレイを備え、
前記マイクロレンズから前記受光域へ至る光路上に前記カラーフィルタを配置する
ことを特徴とする撮像装置。
The imaging apparatus according to any one of claims 1 to 3,
A color filter array in which color filters for color-separating incident light on the imaging region are arranged;
An image pickup apparatus, wherein the color filter is disposed on an optical path from the microlens to the light receiving area.
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