(57)【要約】色々な例示的実施形態において、分離したそれぞれのカラー・フィルタを同じ撮像装置ダイ上に有するマルチ画像センサ・アレイを、本発明は組み込んでいる。一例示的実施形態は、基板の表面にピクセル・セルの複数のアレイを含む画像センサであって、ここで、各ピクセル・セルが光変換素子を含む、画像センサである。アレイは、画像を共通して捉えるように構成されている。画像プロセッサ回路は、前記複数のアレイに接続され、複数のアレイによって捉えられた、取得画像を組み合わせカラー画像を出力するように構成されている。【選択図】図２
2009529291.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
１つの基板上の複数のピクセル・セル・アレイを含み、
各ピクセル・セル・アレイは、各ピクセル・セル・アレイに共通して与えられる画像の所定色を捉えるように構成されている、画像センサ。
【請求項２】
前記複数のピクセル・セル・アレイの対応するピクセル出力を組み合わせ、組み合わさったアレイ・カラー出力画像を生成するように構成された画像プロセッサ回路をさらに備える、請求項１に記載の画像センサ。
【請求項３】
前記画像プロセッサ回路はさらに、組み合わさったアレイ・カラー出力画像を生成する前に、前記複数のピクセル・セル・アレイのうち少なくとも１つのピクセル・セル・アレイの出力を特定のピクセル数だけ、少なくとも１方向にシフトするように構成されている、
請求項２に記載の画像センサ。
【請求項４】
前記画像プロセッサ回路はさらに、被写体距離値を記憶し以下の公式
【数１】
2009529291.tif 000004
に従い前記特定のピクセル数を算出するよう構成され、
ここで、ｄは前記特定のピクセル数に対応する距離を表し、Ｆはレンズの焦点距離を表し、Ｄは隣接する２つのピクセル・セル・アレイの中心間の距離を表し、Ｏは被写体距離値を表し、ｗは隣接する２つのピクセルの中心間の距離を表し、ｎは前記特定のピクセル数を表す、
請求項３に記載の画像センサ。
【請求項５】
前記画像プロセッサは、前記画像内の少なくとも１つの被写体と前記画像センサとの距離を検出し、かつ前記距離を前記被写体距離値として設定するようさらに構成された、
請求項４に記載の画像センサ。
【請求項６】
前記複数のピクセル・セル・アレイは、２×２パターンに配置された４つのピクセル・セル・アレイを含む、請求項１に記載の画像センサ。
【請求項７】
各前記４つのピクセル・セル・アレイは、赤色、緑色、または青色カラー・フィルタのうちの１つのみに対応付いている、請求項６に記載の画像センサ。
【請求項８】
前記４つのピクセル・セル・アレイは、ベイヤー・パターンに配置されている、請求項７に記載の画像センサ。
【請求項９】
前記複数のピクセル・セル・アレイは、３×１パターンに配置された３つのピクセル・セル・アレイを含む、請求項１に記載の画像センサ。
【請求項１０】
各前記３つのピクセル・セル・アレイはそれぞれ、赤色、緑色、または青色カラー・フィルタに対応付いている、請求項９に記載の画像センサ。
【請求項１１】
各ピクセル・セル・アレイはさらに、複数のマイクロレンズを含むマイクロレンズ・アレイを含む、請求項１に記載の画像センサ。
【請求項１２】
前記マイクロレンズ・アレイの各マイクロレンズは、前記ピクセル・セル・アレイの複数のピクセルに光を集束するように構成された、請求項１１に記載の画像センサ。
【請求項１３】
プロセッサと、
前記プロセッサに接続された画像センサとを備え、
前記画像センサは、
１つの基板上の複数のピクセル・セル・アレイを含み、ここで、各ピクセル・セル・アレイが、各ピクセル・セル・アレイに共通に与えられる画像の所定色を捉えるように、構成されている、
撮像システム。
【請求項１４】
前記複数のピクセル・セル・アレイの対応するピクセル出力を組み合わせ、且つ、組み合わさったアレイ・カラー出力画像を作成するように構成された、画像プロセッサ回路をさらに備える、
請求項１３に記載の撮像システム。
【請求項１５】
前記画像プロセッサ回路はさらに、組み合わさったアレイ・カラー出力画像を生成する前に、前記複数のピクセル・セル・アレイのうち少なくとも１つのピクセル・セル・アレイの出力を特定のピクセル数だけ、少なくとも１方向にシフトするように構成されている、
請求項１４に記載の撮像システム。
【請求項１６】
前記画像プロセッサ回路はさらに、被写体距離値を記憶し、以下の公式
【数２】
2009529291.tif 000005
に従い前記特定のピクセル数を算出するよう構成され、
ここで、ｄは前記特定のピクセル数に対応する距離を表し、Ｆはレンズの焦点距離を表し、Ｄは隣接する２つのピクセル・セル・アレイの中心間の距離を表し、Ｏは被写体距離値を表し、ｗは隣接する２つのピクセルの中心間の距離を表し、ｎは前記特定のピクセル数を表す、
請求項１５に記載の撮像システム。
【請求項１７】
前記画像プロセッサは、前記画像内の少なくとも１つの被写体と前記画像センサとの距離を検出し、かつ前記距離を前記被写体距離値として設定するようさらに構成された、
請求項１６に記載の撮像システム。
【請求項１８】
前記複数のピクセル・セル・アレイは、２×２パターンに配置された４つのピクセル・セル・アレイを含む、請求項１３に記載の撮像システム。
【請求項１９】
各前記４つのピクセル・セル・アレイは、赤色、緑色、または青色カラー・フィルタのうちの１つのみに対応付いている、請求項１８に記載の撮像システム。
【請求項２０】
前記４つのピクセル・セル・アレイは、ベイヤー・パターンに配置されている、請求項１９に記載の撮像システム。
【請求項２１】
前記複数のピクセル・セル・アレイは、３×１パターンに配置された３つのピクセル・セル・アレイを含む、請求項１３に記載の撮像システム。
【請求項２２】
各前記３つのピクセル・セル・アレイはそれぞれ、赤色、緑色、または青色カラー・フィルタに対応付いている、請求項２１に記載の撮像システム。
【請求項２３】
各ピクセル・セル・アレイはさらに、複数のマイクロレンズを含むマイクロレンズ・アレイを含む、請求項１３に記載の撮像システム。
【請求項２４】
前記マイクロレンズ・アレイの各マイクロレンズは、前記ピクセル・セル・アレイの複数のピクセルに光を集束するように構成された、請求項２３に記載の撮像システム。
【請求項２５】
１つの基板上に配置された複数のピクセル・セル・アレイにおいて、画像の所定色を捉えるステップであって、前記画像は、各ピクセル・セル・アレイに共通して与えられる、画像の所定色を捉える前記ステップを有する、画像を捉える方法。
【請求項２６】
前記複数のピクセル・セル・アレイの対応するピクセル出力を組み合わせ、組み合わさったアレイ・カラー出力画像を生成するステップをさらに有する、請求項２５に記載の方法。
【請求項２７】
組み合わさったアレイ・カラー出力画像を生成する前に、前記複数のピクセル・セル・アレイのうち少なくとも１つのピクセル・セル・アレイの出力を特定のピクセル数だけ、少なくとも１方向にシフトするステップをさらに有する、
請求項２６に記載の方法。
【請求項２８】
被写体距離値を記憶するステップと、
以下の公式
【数３】
2009529291.tif 000006
に従い前記特定のピクセル数を算出するステップと、をさらに有し、
ここで、ｄは前記特定のピクセル数に対応する距離を表し、Ｆはレンズの焦点距離を表し、Ｄは隣接する２つのピクセル・セル・アレイの中心間の距離を表し、Ｏは被写体距離値を表し、ｗは隣接する２つのピクセルの中心間の距離を表し、ｎは前記特定のピクセル数を表す、
請求項２７に記載の方法。
【請求項２９】
前記画像内の少なくとも１つの被写体と前記画像センサとの距離を検知し、
前記距離を前記被写体距離値として設定するステップをさらに有する、
請求項２８に記載の方法。
【請求項３０】
少なくとも１つの赤色ピクセル・セル・アレイ、少なくとも１つの青色ピクセル・セル・アレイ、および少なくとも１つの緑色ピクセル・セル・アレイを含む複数のピクセル・セル・アレイであって、各ピクセル・セル・アレイは、赤色、青色および緑色それぞれのカラー・フィルタならびにレンズを有する、前記複数のピクセル・ピクセル・セル・アレイと、
各前記複数のピクセル・ピクセル・セル・アレイからの画像出力を取得し、視差を補正するために前記画像出力のうちの少なくとも１つの画像出力を調整し、カラー画像出力を提供するために前記画像出力を組み合わせるように構成された画像プロセッサと、
を備える撮像装置。
【請求項３１】
複数のピクセル・ピクセル・セル・アレイからの、複数の画像出力を取得するステップで
あって、前記複数のピクセル・ピクセル・セル・アレイが、少なくとも１つの赤色ピクセル・セル・アレイ、少なくとも１つの青色ピクセル・セル・アレイ、および少なくとも１つの緑色ピクセル・セル・アレイを含み、各ピクセル・セル・アレイは、赤色、青色および緑色それぞれのカラー・フィルタならびにレンズを有する、複数の画像出力を取得する前記ステップと、
視差を補正するために前記画像出力のうちの少なくとも１つの画像出力を調整するステップと、
カラー画像出力を提供するために前記画像出力を組み合わせるステップと、
を有する撮像方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は全体的には、半導体デバイスの分野に関し、より詳細には、マルチアレイ画像センサ・デバイスに関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体産業は現在、マイクロ・レンズを使用する、とりわけ、電荷結合デバイス（ＣＣＤ）、ＣＭＯＳアクティブ・ピクセル・センサ（ＡＰＳ）、フォトダイオード・アレイ、電荷注入デバイス、ハイブリッド焦点面アレイなどの様々なタイプの半導体ベースの画像センサを生産している。これらの画像センサは、例えばフォトダイオードなどの光変換素子に電磁放射を集束させるためのマイクロ・レンズを使用する。また、これらの画像センサは、光変換素子による検知のために、光変換素子が典型的には特定の色に対応付けられるように、電磁放射の特定の波長を通すカラー・フィルタを使用し得る。
【０００３】
マイクロ・レンズは、光学効率を上昇させ、また画像センサのピクセル・セル間のクロストークを減らすことに役立つ。図１Ａおよび１Ｂは、ベイヤー・カラー・フィルタ・パターン化アレイ１００（以下に説明）を使用する従来のカラー画像センサの一部の、上面図および簡略化した断面図を示す。アレイ１００は、基板１上にそれぞれ形成されるピクセル・セル１０を含む。各ピクセル・セル１０は、例えば、フォトダイオードなどの光変換素子１２ｒ、１２ｇ、１２ｂ、および電荷収集ウェル（charge collecting well）１３ｒ、１３ｇ、１３ｂを含む。例示しているアレイ１００は、光を収集し光変換素子１２ｒ、１２ｇ、１２ｂに集束させるマイクロ・レンズ２０を有する。これら光変換素子１２ｒ、１２ｇ、１２ｂは、次に集束された光を電子に変換する。これら電子は、それぞれの電荷収集ウェル１３ｒ、１３ｇ、１３ｂに蓄えられる。
【０００４】
アレイ１００はまた、カラー・フィルタ・アレイ３０を含むこと、またはカラー・フィルタ・アレイ３０により覆われることがある。カラー・フィルタ・アレイ３０は、ピクセル・セル１０の上にそれぞれ配置されたカラー・フィルタ３１ｒ、３１ｇ、３１ｂを含む。各フィルタ３１ｒ、３１ｇ、３１ｂは、それぞれの光変換素子へ、光の特定の波長のみが通ることを可能にする。赤色カラー・フィルタ３１ｒと青色カラー・フィルタ３１ｂごとに２つの緑色カラー・フィルタ３１ｇを含む、図１Ａに示すように配置される繰り返しのベイヤー・パターン状に、カラー・フィルタ・アレイは通常は配置される。
【０００５】
カラー・フィルタ・アレイ３０とピクセル・セル１０との間には層間絶縁膜（ＩＬＤ）領域３がある。ＩＬＤ領域３は通常、複数層の層間絶縁膜、ならびにピクセル・セル１０のデバイス間の接続およびピクセル・セル１０からアレイ１００周辺の回路１５０への接続を形成する導体、を含む。誘電層５は通常、カラー・フィルタ・アレイ３０とマイクロレンズ２０との間に設けられる。
【０００６】
ベイヤー・パターン・カラー・フィルタの１つの重大な欠点および１つのアレイ上に交互のＲＧＢフィルタを使用する他のカラー・フィルタ・パターンの１つの重大な欠点は、ピクセル間のクロストークが、カラー復元機能を事実上低下させることである。クロストークは、２つの態様で発生することがある。光が広い角度でマイクロレンズに入り、正しいピクセルに適切に集束されないとき、光学的クロストークがいくつかの原因から生じる。角度的な光学的クロストークの例を図１Ｂに示す。フィルタを通った赤色光１５のほとんどは、正しい光変換素子１２ｒに到達するが、赤色光変換素子１２ｒを対象とした、フィルタを通った赤色光１６のいくらかは、近接する緑色および青色ピクセルへ誤った方向に導かれる。
【０００７】
電気的クロストークも、ブルーミング効果を通してアレイ内に発生することがある。光源の輝度が非常に強いために、ピクセル・セル１０の電荷収集ウェル１３ｒ、１３ｇ、１３ｂがこれ以上電子を蓄えることができず、基板および近接の電荷収集ウェル内に余分な電子１７を与えると、ブルーミングは発生する。特定の色、例えば赤がとりわけ強い場合、このブルーミング効果は、近接する緑色および青色ピクセルの反応を不自然に高めることがある。
【０００８】
したがって、より正しい色データを実現するために画像センサ内で使用するための代わりのカラー・フィルタ配置を備えることは有益であり、その代わりのカラーフィルター配置は、光学的クロストークおよび電気的クロストークを減らす。
【発明の開示】
【０００９】
色々な例示的実施形態において、分離したそれぞれのカラー・フィルタを有するマルチ画像センサ・アレイを、本発明は同じ撮像装置ダイ上に組み込む。一例示的実施形態は、基板の表面にピクセル・セルの複数のアレイを含む画像センサであって、各ピクセル・セルが光変換素子を含む、画像センサである。各アレイは、同じ画像を各アレイに与える光学系により、同じ画像を捉えるように構成されている。画像プロセッサ回路が、複数のアレイに接続され、それぞれのアレイにより捉えられた画像を組み合わせ、出力像を作り出すように構成されている。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
以下の詳細な説明において、この明細書の一部であって、本発明を実施し得る具体的な実施形態を示す添付の図面を参照する。図面において、いくつかの図面を通して、同じ参照番号は、実質的に同じである構成要素を説明する。これらの実施形態は、当業者が本発明を実施できるように十分詳細に説明されている。また、他の実施形態も使用可能であり、本発明の趣旨および範囲から逸脱せずに構造的、論理的、電気的変更が可能であることを理解されたい。
【００１１】
「ウェーハ」および「基板」という用語は、シリコン、シリコン・オン・インシュレータ（ＳＯＩ）、またはシリコン・オン・サファイア（ＳＯＳ）技術、ドープされた半導体およびドープされていない半導体、ベースとなる半導体の基盤により支持されたシリコンのエピタキシャル層、ならびに他の半導体構造を含むものとして理解されるべきである。さらに、以下の説明において「ウェーハ」または「基板」に言及する場合、ベースとなる半導体の構造あるいは基盤内に領域または接合部を形成するために、前もって加工工程が利用されていてもよい。また、半導体は、シリコンベースである必要はなく、シリコン・ゲルマニウム、ゲルマニウム、またはヒ化ガリウムをベースにしてもよい。
【００１２】
「ピクセル」または「ピクセル・セル」という用語は、電磁放射を電気信号に変換するための光変換素子を含む画像素子ユニット・セルを指す。画像センサ内の全てのピクセル・セルの製造は通常、同様の方法で同時に進行する。
【００１３】
図２は、本発明の実施形態による、マルチアレイ画像センサ２００の平面図である。例示された実施形態において、画像センサ２００は、２×２アレイ・センサである。画像センサ２００は基板２０１を含む。基板２０１上には、４つのピクセル・アレイ２１３ｒ、２１３ｂ、２１３ｇ、２１３ｇ´および各ピクセル・アレイ２１３ｒ、２１３ｂ、２１３ｇ、２１３ｇ´に対する対応サポート回路２５０が作られている。例示された実施形態は、２つの緑色ピクセル・アレイ２１３ｇ、２１３ｇ´、１つの赤色ピクセル・アレイ２１３ｒ、および、１つの青色ピクセル・アレイ２１３ｂを含む。不透明壁２６０は、個々のアレイを分離する。４つの撮像フィルタ２３１ｒ、２３１ｂ、２３１ｇ、２３１ｇ´が、ベイヤー・パターンで、ピクセル・アレイ２１３ｒ、２１３ｂ、２１３ｇ、２１３ｇ´の上方にそれぞれ配置される。赤色フィルタ２３１ｒは赤色ピクセル・アレイ２１３ｒの上方に配置され、青色フィルタ２３１ｂは青色ピクセル・アレイ２１３ｂの上方に配置され、緑色フィルタ２３１ｇ、２３１ｇ´は緑色ピクセル・アレイ２１３ｇ、２１３ｇ´それぞれの上方に配置される。４つの撮像レンズ２２０が、撮像フィルタ２３１ｒ、２３１ｂ、２３１ｇ、２３１ｇ´の上方に配置される。
【００１４】
１つのダイ上にマルチアレイ・カラー画像センサを含めることにより、特に６ミクロン×６ミクロン未満のピクセル・サイズを有する小型カメラ・モジュールに対しては、カラー・クロストーク・アーチファクトが減少する。１つのダイ上に配置され、かつ分離したカラー・フィルタ２３１ｒ、２３１ｂ、２３１ｇ、２３１ｇ´を含む、マルチ撮像アレイ２１３ｒ、２１３ｂ、２１３ｇ、２１３ｇ´は、優れた色性能を達成し、一方で、撮像レンズ系の焦点距離を縮める。この構成により、カラー・クロストークを大幅に減少させることができる。さらに、より短い焦点距離の撮像レンズは、視差効果を最小限に抑えることが可能であり、また画像センサ２００を用いたカメラ・モジュールをより小型にすることを可能にする。
【００１５】
マルチアレイ・レイアウトは、従来システムに対しいくつかの優位性を有する。より短い焦点距離有するレンズを提供することに加えて、各ピクセルに対し別個のカラー・フィルタを必要とするのではなく、カラー・フィルタを、撮像レンズ自体の中により容易に埋め込むことができ、より良いカラー画像復元および最大限のフォトンスループット（photon throughput）のためのカラー・フィルタを調整および最適化するためにより高い柔軟性が提供される。上記で説明したように、異なるカラー・フィルタ・アレイが完全に分離されるので、カラー・クロストークを大幅に減少させることができる。
【００１６】
また、カラー・フィルタの付いたアレイそれぞれの１つのピクセルの精度のおかげで、ベイヤー・パターン・フィルタを使用しているアレイに比べて、カラー・エイリアシング（aliasing）は減少し、デモザイキングを必要としない。分離したカラー・アレイを使用することはまた、露光時間コントロール、および例えばスペクトル感度や変換利得などといった個々のピクセル・パラメータの最適化などの分野において、より高い柔軟性を可能にする。
【００１７】
レンズあたりの画像領域を通常のベイヤー・パターン・センサ・アレイの領域の２５％にすることが可能なため、より短い焦点距離のレンズを使用することができる。このより短い焦点距離は、撮像モジュールの深い被写界深度につながり、自動焦点メカニズムの必要性を減らすことができる。
【００１８】
上記の実施形態において、各アレイが一旦画像を捉えると、アレイの上方のフィルタの色に従って、画像に色が割り当てられる。これで、１つのＲＧＢカラー出力を形成するために、これら画像は組み合わすことができる。このＲＧＢカラー出力においては、各ピクセルの出力は、各アレイの対応するピクセルからのピクセル値を用いている。
【００１９】
アレイは、同じ平面上の異なる位置から同じ画像を捉らえようとするので、ＲＧＢカラー出力は、少なくとも１つの直線方向へある程度の視差誤差を示すことがある。一般的に、より短い焦点距離は、同じダイ上の分離したカラー・アレイの使用に伴う視差の大部分を除去する。視差誤差が画像の適当な復元を妨げるほど大きい状況、例えば、捉える被写体が撮像レンズに非常に近い状況に関しては、捉えた画像の後処理（以下で詳細に説明する）が実行されることがある。
【００２０】
図３は、本発明の他の実施形態による他のマルチアレイ画像センサ３００の平面図であ
る。例示された実施形態において、画像センサ３００は、３×１アレイ・センサである。画像センサ３００は基板３０１を含む。この基板３０１は、３つのピクセル・アレイ３１３ｒ、３１３ｂ、３１３ｇおよび各アレイに対する対応サポート回路３５０を収容する。この実施形態は、１つの緑色ピクセル・アレイ３１３ｇ、１つの赤色ピクセル・アレイ３１３ｒおよび１つの青色ピクセル・アレイ３１３ｂを含む。不透明壁３６０は、個々のアレイを分離する。３つの撮像フィルタ３３１ｒ、３３１ｂ、３３１ｇは、各ピクセル・アレイ３１３ｒ、３１３ｂ、３１３ｇの上方に配置される。赤色フィルタ３３１ｒはピクセル・アレイ３１３ｒの上方に配置され、青色フィルタ３３１ｂはピクセル・アレイ３１３ｂの上方に配置され、緑色フィルタ３３１ｇはピクセル・アレイ３１３ｇの上方に配置される。３つの撮像レンズ３２０は、それぞれの撮像フィルタ３３１ｒ、３３１ｂ、３３１ｇの上方に配置される。
【００２１】
上記で説明したように、各アレイが画像を一旦捉えると、アレイ上方のフィルタの色に従い画像に色が割り当てられる。これで、これら画像は、１つのＲＧＢカラー出力を形成するために、組み合わすことができる。
【００２２】
３×１アレイ画像センサは、いかなる視差誤差も１つの直線方向に限定するという、さらなる利点を有する。１つの直線方向のみに視差が生じるようアレイを配置することにより、捉えた画像データから画像を復元するのに必要な後処理の量およびタイプを減らすことができる。
【００２３】
図４は、本発明の何らかの実施形態による（例えば、図２および３に示す２×２または３×１ピクセル・アレイによる）画像センサ４００の一部の横断面図である。センサ４００は、複数のピクセル・アレイ４１３ｒ、４１３ｇおよび各アレイに対しての対応サポート回路（図示せず）がその上に作られた基板４０１を含む。例示部分は、１つの緑色ピクセル・アレイ４１３ｇおよび１つの赤色ピクセル・アレイ４１３ｒを示す。横断面図に示されていない少なくとも１つの青色およびアレイがあること、ならびにこの横断面図に示されていない他の緑色アレイが場合によっては存在することを理解されたい。不透明壁４６０は、個々のアレイおよび撮像レンズ４３１ｒ、４３１ｇを分離する。撮像レンズ４３１ｒ、４３１ｇは、各ピクセル・アレイ４１３ｒ、４１３ｇそれぞれの上方に配置される。
【００２４】
被写対象物４７０が撮像レンズ４２０に近づくにつれて、個々のアレイ４１３ｒ、４１３ｇは、それらアレイ間の視差シフトの増大を示すこととなる。２つのアレイ間の視差シフトの大きさは、以下の公式により概算される。
【００２５】
【数４】
2009529291.tif 000003
ここで、ｄは画像ピクセル・アレイの視差シフト距離、Ｆはレンズの焦点距離、Ｄは２つのアレイの中心間の距離、Ｏは被写対象物４７０と撮像レンズ４２０との距離である。さらに、ｗは２つのピクセル間の中心間の距離であり、ｎは視差計算に基づいてシフトされるピクセルの数である。
【００２６】
数４によれば、焦点距離Ｆの短縮および／またはアレイ間での中心と中心との距離Ｄの短縮は、与えられた被写体距離Ｏについての全体的な視差シフトの短縮に結びつく。被写体距離Ｏは、手動で設定すること、あるいは、例えば赤外線センサまたは自動焦点メカニズム（図示せず）などの、従来の距離検出デバイスで検出することができる。一旦被写体距離Ｏが測定または近似されると、視差シフト計算を実行することができる。
【００２７】
図４に示す実施例では、対象物４７０の一部は、センサ・アレイ４１３ｇ上のピクセル４７５により捉えられているが、対応するピクセル４７５ではないセンサ・アレイ４１３ｒ上のピクセル４７６によっても捉えられている。１つのアレイ、例えば４１３ｇを基準アレイとして選択することにより、視差シフトｄは、被写体距離Ｏ、焦点距離Ｆおよび中心間の距離Ｄから算出される。次いで、４１３ｒの出力像をシフトするのに必要なピクセル数ｎは、視差シフトｄをピクセルの中心間ｗで割ることにより算出することができる。この実施例において、ＲＧＢ出力を供給する場合、緑色アレイについてのピクセル４７５の出力は、赤色アレイのピクセル４７６の出力とともに利用されることとなる。当然、ＲＧＢ出力はまた、第２の緑色アレイおよび青色アレイの対応するピクセルを同様に含むこととなり、視差シフトを補正するため必要に応じてシフトされる。
【００２８】
図５Ａは例えば、２ミクロンのピクセル・サイズおよび１００ミリメートルの被写体距離Ｏに基づいた、視差シフトｄとアレイの中心間の距離Ｄとの関係を示すグラフである。図５Ｂは他のグラフであり、このグラフは、２ミクロンのピクセル・サイズおよび３ミリメートルの中心間の距離Ｄに基づく、視差シフトｄとアレイのレンズからの被写体の距離Ｏとの関係を示す。
【００２９】
被写体距離Ｏが長くなるにつれ、視差シフトｄはごくわずかになる。例えば、図５Ｂに示す設計例に関しては、２ミクロンのピクセル・サイズのピクセルおよび３ミリメートルの中心間の距離Ｄでは、１メートルを超える被写体距離Ｏにおいて、視差シフトｄはごくわずかなものとなる。
【００３０】
画像が互いに異なる被写体距離Ｏを有する複数の被写体を含む場合、特にこれらの距離Ｏが短いものも長いものも両方ある場合、ユーザの選択および処理設定次第で、被写体のいずれかについて画像を補正することができる。さらにまた、焦点距離Ｆおよび中心間の距離Ｄが短くなるにつれ、被写体距離Ｏが短い被写体の場合でさえ、視差シフトｄは顕著でなくなり、近くの被写体と遠くの被写体との両方を含む画像を捉えた場合のトレードオフ（tradeoff）が少なくなる。
【００３１】
図６は、本発明の他の実施形態による（例えば、図２および３に示す、２×２または３×１ピクセル・アレイによる）アレイの一部の横断面図である。センサ６００は、複数のピクセル・アレイ６１３ｒ、６１３ｇ、６１３ｂおよび各アレイに対する対応サポート回路（図示せず）がその上に作られた基板６０１を含む。例示部分は、１つの赤色ピクセル・アレイ６１３ｒ、１つの緑色ピクセル・アレイ６１３ｇおよび１つの青色ピクセル・アレイ６１３ｂを示す。各赤色ピクセル・アレイ６１３ｒ、緑色ピクセル・アレイ６１３ｇおよび青色ピクセル・アレイ６１３ｂは、カラー・フィルタ６３１ｒ、６３１ｇ、６３１ｂをそれぞれ有する。簡単にするため、図６に示す実施形態は、８ピクセル幅のピクセル・アレイ６１３ｒ、６１３ｇ、６１３ｂを示すが、ピクセル・アレイ６１３ｒ、６１３ｇ、６１３ｂは、所望どおりに多数のまたは所望どおりに少数のピクセルを含んでよいことを理解されたい。横断面図に示していないさらなるアレイがあってもよいこともまた理解されたい。不透明壁６６０は、個々のアレイおよび撮像レンズ６２０のアレイを分離する。撮像レンズ６２０は、各ピクセル・アレイ６１３ｒ、６１３ｇ、６１３ｂそれぞれの上方に配置される。
【００３２】
この実施形態において、１つのレンズを各アレイ６１３ｒ、６１３ｇ、６１３ｂの上に作る（図２から図４に示す実施形態のように）よりはむしろ、マイクロレンズ６２０のそれぞれのアレイが、各アレイ６１３ｒ、６１３ｇ、６１３ｂ内の１つまたは複数個のピクセルの上に作られる。個々のレンズは、任意の数のピクセルをカバーすることができ、任意の数のピクセルに光を集束させることができる。図６Ａに示す具体的な実施形態におい
て、各アレイ内の各マイクロレンズ６２０は、ピクセル・アレイ６１３ｒ、６１３ｇ、６１３ｂの４つのピクセル部分（２×２パターンにおいて）をカバーし、ピクセル・アレイ６１３ｒ、６１３ｇ、６１３ｂの４つのピクセル部分に光を集束させる
【００３３】
図７は、本発明の他の実施形態による（例えば、図２および３に示す２×２または３×１ピクセル・アレイによる）アレイの一部の横断面図である。センサ７００は、複数のピクセル・アレイ７１３ｒ、７１３ｇ、７１３ｂおよび各アレイに対する対応サポート回路（図示せず）がその上に作られた基板７０１を含む。例示部分は、１つの赤色ピクセル・アレイ７１３ｒ、１つの緑色ピクセル・アレイ７１３ｇおよび１つの青色ピクセル・アレイ７１３ｂを示す。各赤色ピクセル・アレイ７１３ｒ、緑色ピクセル・アレイ７１３ｇおよび青色ピクセル・アレイ７１３ｂは、カラー・フィルタ７３１ｒ、７３１ｇ、７３１ｂをそれぞれ有する。簡単にするため、図６に示す実施形態は、８ピクセル幅のピクセル・アレイ７１３ｒ、７１３ｇ、７１３ｂを示すが、ピクセル・アレイ７１３ｒ、７１３ｇ、７１３ｂは、所望どおりに多数のまたは所望どおりに少数のピクセルを含んでよいことを理解されたい。横断面図に示していないさらなるアレイがあってもよいこともまた理解されたい。不透明壁７６０は、個々のアレイおよび撮像レンズ７２０のアレイを分離する。撮像レンズ７２０は、各ピクセル・アレイ７１３ｒ、７１３ｇ、７１３ｂそれぞれの上方に配置される。図７に示す実施形態はさらに、レンズ素子７８０ｒ、７８１ｒ、７８０ｇ、７８１ｇ、７８０ｂ、７８１ｂを含む。
【００３４】
各カラー・フィルタ７３１ｒ、７３１ｇ、７３１ｂの波長帯に対し最善の焦点スポットの解像度および収差のないパフォーマンスを生み出すように、レンズ素子７８０ｒ、７８１ｒ、７８０ｇ、７８１ｇ、７８０ｂ、７８１ｂは、最適化されている。例えば、ピクセル・アレイ７１３ｒは１つの赤色カラー・フィルタ７３１ｒに対応付いているので、レンズ７８０ｒ、７８１ｒの組は、可視光域の全範囲よりはむしろ赤色波長帯に対し最適化することができる。異なるアレイ７１３ｒ、７１３ｇ、７１３ｂ間でドーパント注入物およびエピタキシャル（ＥＰＩ）層の厚みを変えるために、個々のカラー・アレイもまた最適化することができる。例えば、青色光波長のみに反応するほど十分に厚みを小さく、青色ピクセル・アレイ７１３ｂ内にＥＰＩ層（図示せず）を作ることにより、青色カラー・フィルタ７３１ｂを省くことができる。
【００３５】
より詳細なシングル・チップＣＭＯＳ画像センサ８００を、図８Ａのブロック図で例示する。画像センサ８００は、本発明の実施形態によるピクセル・セル・アレイ８０１を含む。図３に示す実施形態と同様に、アレイ８０１は、赤色アレイ８１３ｒ、緑色アレイ８１３ｇおよび青色アレイ８１３ｂを含む。アレイ８０１はまた、図２に示す実施例のアレイを１つまたは複数、またはマルチカラー・アレイを使用する何か他の同様の構成を含むことがある。
【００３６】
アレイ８０１内のピクセル・セルの行は、１行ずつ読み出される。したがって、アレイ８０１の行内のピクセル・セルは全て、読出しのために行選択線により同時に選択され、選択された行内の各ピクセル・セルは、その列に対する読出線へ、受信した光を表す信号を送る。アレイ８０１において、各列もまた選択線を有し、各列のピクセル・セルは、列選択線に応じて選択的に読み出される。
【００３７】
アレイ８０１内の行線は、行アドレス・デコーダ８８１に応答する行ドライバ８８２により選択的に活性化される。列選択線は、列アドレス・デコーダ８８５に応答する列ドライバ８８４により選択的に活性化される。アレイ８０１は、タイミングおよび制御回路８８３により動作される。このタイミングおよび制御回路８８３は、ピクセル信号読出しのための適切な行線および列線を選択するために、アドレス・デコーダ８８１、８８５を制御する。
【００３８】
列読出線の信号には通常、各ピクセル・セルについてのピクセル・リセット信号（Ｖｒｓｔ）およびピクセル画像信号（Ｖｓｉｇ）が含まれる。両信号は、列ドライバ８８４に応答するサンプル・ホールド回路（Ｓ／Ｈ）８８６内に読み取られる。差分信号（Ｖｒｓｔ−Ｖｓｉｇ）が差分増幅器（ＡＭＰ）８８７により各ピクセル・セルについて生成され、各ピクセル・セルの差動信号は増幅され、アナログ・デジタル変換器（ＡＤＣ）８８８によりデジタル化される。アナログ・デジタル変換器８８８は、画像プロセッサ８８９にデジタル化されたピクセル信号を供給する。この画像プロセッサ８８９は、適切な画像処理を行う。この画像処理には、画像出力を定めるデジタル信号を送る前にマルチアレイの出力を組み合わせることおよび上に記載の視差調整計算を行うことが含まれることがある。
【００３９】
シングル・チップＣＭＯＳ画像センサ８００´の他の実施形態を、図８Ｂのブロック図で例示する。画像センサ８００´は、図８Ａに示す画像センサ８００と同じ素子を含み、さらに各アレイ８１３ｒ、８１３ｇ、８１３ｂに対する個別の行アドレス・デコーダ８８１ｒ、８８１ｇ、８８１ｂおよび行ドライバ８８２ｒ、８８２ｇ、８８２ｂを含む。それによって、画像センサ８００´は、赤色、緑色および青色露光時間の個別の制御を可能にし、また露光時間の変動に応じてホワイト・バランス処理をすることもまた可能にしている。
【００４０】
行アドレス・デコーダ８８１ｒ、８８１ｇ、８８１ｂに応答する行ドライバ８８２ｒ、８８２ｇ、８８２ｂそれぞれにより、アレイ８１３ｒ、８１３ｇ、８１３ｂ内の行線は、各々選択的に活性化される。列アドレス・デコーダ８８５に応答する列ドライバ８８４により、列選択線は選択的に活性化される。アレイ８０１は、タイミングおよび制御回路８８３により動作される。このタイミングおよび制御回路８８３は、ピクセル信号読出しのための適切な行線および列線を選択するために、アドレス・デコーダ８８１ｒ、８８１ｇ、８８１ｂ、８８５を制御する。
【００４１】
図９は、図８Ａの画像センサ８００を含むプロセッサ・システム９００を例示する。プロセッサ・システム９００は、画像センサ・デバイスを含むことがあるデジタル回路を有するシステムの典型例である。そのようなシステムには、コンピュータ・システム、カメラ・システム、スキャナ、マシン・ビジョン、車両ナビゲーション、テレビ電話、監視システム、自動焦点システム、スター・トラッカ・システム、動き検知システム、画像安定化システム、およびデータ圧縮システムが、限定することなしに含まれる。
【００４２】
例えばカメラ・システムなどのプロセッサ・システム９００は一般的に、バス９９３を介して入出力（Ｉ／Ｏ）デバイス９９１と通信する、マイクロプロセッサなどの中央処理装置（ＣＰＵ）９９５を含む。画像センサ８００も、バス９９３を介してＣＰＵ９９５と通信する。プロセッサ・ベースのシステム９００はまた、ランダム・アクセス・メモリ（ＲＡＭ）９９２を含み、且つフラッシュ・メモリなどの取り外し可能メモリ９９４を含むことがあり、これらもまた、バス９９３を介してＣＰＵ９９５と通信する。単一の集積回路上のもしくはプロセッサとは異なるチップ上の記憶装置を伴いまたは伴わずに、画像センサ８００は、ＣＰＵ、デジタル信号プロセッサ、またはマイクロプロセッサなどのプロセッサに組み合わせられることがある。画像センサ８００またはＣＰＵ９９５により、視差調整計算は行われることがある。
【００４３】
上の記載および図面は例であり、本発明の目的、特徴および長所を達成する好ましい実施形態を説明していることにやはり留意されたい。本発明は、例示された実施形態に限定されるものではない。ＣＣＤアレイなどの他の撮像装置技術の利用を含む、添付の特許請求項の趣旨および範囲内で起こる本発明のあらゆる変形形態は、本発明の一部であるとみ
なされるべきである。
【図面の簡単な説明】
【００４４】
添付の図面を参照し、以上に示す例示的実施形態の詳細な記載から、本発明の前述のおよび他の利点ならびに特徴がより明らかになることとなる。
【図１Ａ】従来のベイヤー・パターン・カラー画像センサの一部の平面図である。
【図１Ｂ】従来のカラー画像センサの一部の横断面図である。
【図２】本発明の実施形態による２×２アレイ画像センサの平面図である。
【図３】本発明の他の実施形態による３×１アレイ画像センサの平面図である。
【図４】本発明の実施形態によるアレイの一部の横断面図である。
【図５Ａ】本発明の実施形態による、視差シフトとアレイの中心間の距離との関係を、示すグラフである。
【図５Ｂ】本発明の実施形態による、視差シフトとアレイのレンズからの被写体の距離との関係を示すグラフである。
【図６】本発明の他の実施形態によるアレイの一部の横断面図である。
【図７】本発明の他の実施形態によるアレイの一部の横断面図である。
【図８Ａ】本発明の実施形態によるピクセル・アレイを用いた撮像素子の平面図である。
【図８Ｂ】本発明の他の実施形態によるピクセル・アレイを用いた撮像素子の平面図である。
【図９】本発明の実施形態による撮像装置ピクセル・アレイを用いた画像システムの平面図である。
【図１Ａ】
2009529291.tif 000007
【図１Ｂ】
2009529291.tif 000008
【図２】
2009529291.tif 000009
【図３】
2009529291.tif 000010
【図４】
2009529291.tif 000011
【図５Ａ】
2009529291.tif 000012
【図６】
2009529291.tif 000013
【図７】
2009529291.tif 000014
【図８Ａ】
2009529291.tif 000015
【図８Ｂ】
2009529291.tif 000016
【図９】
2009529291.tif 000017
【図５Ｂ】
2009529291.tif 000018
【手続補正書】
【提出日】平成20年10月31日(2008.10.31)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
１つの基板上の複数のピクセル・セル・アレイを含み、
各ピクセル・セル・アレイは、各ピクセル・セル・アレイに共通して与えられる画像の所定色を捉えるように構成されている、画像センサ。
【請求項２】
前記複数のピクセル・セル・アレイの対応するピクセル出力を組み合わせ、組み合わさったアレイ・カラー出力画像を生成するように構成された画像プロセッサ回路をさらに備える、請求項１に記載の画像センサ。
【請求項３】
前記画像プロセッサ回路はさらに、組み合わさったアレイ・カラー出力画像を生成する前に、前記複数のピクセル・セル・アレイのうち少なくとも１つのピクセル・セル・アレイの出力を特定のピクセル数だけ、少なくとも１方向にシフトするように構成されている、
請求項２に記載の画像センサ。
【請求項４】
前記画像プロセッサ回路はさらに、被写体距離値を記憶し以下の公式
【数１】
2009529291.tif 000019
に従い前記特定のピクセル数を算出するよう構成され、
ここで、ｄは前記特定のピクセル数に対応する距離を表し、Ｆはレンズの焦点距離を表し、Ｄは隣接する２つのピクセル・セル・アレイの中心間の距離を表し、Ｏは被写体距離値を表し、ｗは隣接する２つのピクセルの中心間の距離を表し、ｎは前記特定のピクセル
数を表す、
請求項３に記載の画像センサ。
【請求項５】
前記画像プロセッサは、前記画像内の少なくとも１つの被写体と前記画像センサとの距離を検出し、かつ前記距離を前記被写体距離値として設定するようさらに構成された、
請求項４に記載の画像センサ。
【請求項６】
前記複数のピクセル・セル・アレイは、２×２パターンに配置された４つのピクセル・セル・アレイを含む、請求項１に記載の画像センサ。
【請求項７】
各前記４つのピクセル・セル・アレイは、赤色、緑色、または青色カラー・フィルタのうちの１つのみに対応付いている、請求項６に記載の画像センサ。
【請求項８】
前記４つのピクセル・セル・アレイは、ベイヤー・パターンに配置されている、請求項７に記載の画像センサ。
【請求項９】
前記複数のピクセル・セル・アレイは、３×１パターンに配置された３つのピクセル・セル・アレイを含む、請求項１に記載の画像センサ。
【請求項１０】
各前記３つのピクセル・セル・アレイはそれぞれ、赤色、緑色、または青色カラー・フィルタに対応付いている、請求項９に記載の画像センサ。
【請求項１１】
各ピクセル・セル・アレイはさらに、複数のマイクロレンズを含むマイクロレンズ・アレイを含む、請求項１に記載の画像センサ。
【請求項１２】
前記マイクロレンズ・アレイの各マイクロレンズは、前記ピクセル・セル・アレイの複数のピクセルに光を集束するように構成された、請求項１１に記載の画像センサ。
【請求項１３】
プロセッサと、
前記プロセッサに接続された請求項１、２、６、９もしくは１１に記載の前記画像センサと、を備える、
撮像システム。
【請求項１４】
１つの基板上に配置された複数のピクセル・セル・アレイに、画像の所定色を捉えるステップであって、前記画像は、各ピクセル・セル・アレイに共通して与えられる、画像の所定色を捉える前記ステップを有する、画像を捉える方法。
【請求項１５】
前記複数のピクセル・セル・アレイの対応するピクセル出力を組み合わせ、組み合わさったアレイ・カラー出力画像を生成するステップをさらに有する、請求項１４に記載の方法。
【請求項１６】
組み合わさったアレイ・カラー出力画像を生成する前に、前記複数のピクセル・セル・アレイのうち少なくとも１つのピクセル・セル・アレイの出力を特定のピクセル数だけ、少なくとも１方向にシフトするステップをさらに有する、
請求項１５に記載の方法。
【請求項１７】
被写体距離値を記憶するステップと、
以下の公式
【数２】
2009529291.tif 000020
に従い前記特定のピクセル数を算出するステップと、をさらに有し、
ここで、ｄは前記特定のピクセル数に対応する距離を表し、Ｆはレンズの焦点距離を表し、Ｄは隣接する２つのピクセル・セル・アレイの中心間の距離を表し、Ｏは被写体距離値を表し、ｗは隣接する２つのピクセルの中心間の距離を表し、ｎは前記特定のピクセル数を表す、
請求項１６に記載の方法。
【請求項１８】
前記画像内の少なくとも１つの被写体と前記画像センサとの距離を検知し、
前記距離を前記被写体距離値として設定するステップをさらに有する、
請求項１７に記載の方法。
【請求項１９】
少なくとも１つの赤色ピクセル・セル・アレイ、少なくとも１つの青色ピクセル・セル・アレイ、および少なくとも１つの緑色ピクセル・セル・アレイを含む複数のピクセル・セル・アレイであって、各ピクセル・セル・アレイは、赤色、青色および緑色それぞれのカラー・フィルタならびにレンズを有する、前記複数のピクセル・セル・アレイと、
各前記複数のピクセル・セル・アレイからの画像出力を取得し、視差を補正するために前記画像出力のうちの少なくとも１つの画像出力を調整し、カラー画像出力を提供するために前記画像出力を組み合わせるように構成された画像プロセッサと、
を備える撮像装置。
【請求項２０】
複数のピクセル・セル・アレイからの、複数の画像出力を取得するステップであって、前記複数のピクセル・セル・アレイが、少なくとも１つの赤色ピクセル・セル・アレイ、少なくとも１つの青色ピクセル・セル・アレイ、および少なくとも１つの緑色ピクセル・セル・アレイを含み、各ピクセル・セル・アレイは、赤色、青色および緑色それぞれのカラー・フィルタならびにレンズを有する、複数の画像出力を取得する前記ステップと、
視差を補正するために前記画像出力のうちの少なくとも１つの画像出力を調整するステップと、
カラー画像出力を提供するために前記画像出力を組み合わせるステップと、
を有する撮像方法。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００３６
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００３６】
図４は、本発明の何らかの実施形態による（例えば、図２および３に示す２×２または３×１ピクセル・アレイによる）画像センサ４００の一部の横断面図である。センサ４００は、複数のピクセル・アレイ４１３ｒ、４１３ｇおよび各アレイに対しての対応サポート回路（図示せず）がその上に作られた基板４０１を含む。例示部分は、１つの緑色ピクセル・アレイ４１３ｇおよび１つの赤色ピクセル・アレイ４１３ｒを示す。横断面図に示されていない少なくとも１つの青色アレイがあること、ならびにこの横断面図に示されていない他の緑色アレイが場合によっては存在することを理解されたい。不透明壁４６０は、個々のアレイおよび撮像レンズ４３１ｒ、４３１ｇを分離する。撮像レンズ４３１ｒ、４３１ｇは、各ピクセル・アレイ４１３ｒ、４１３ｇそれぞれの上方に配置される。
【手続補正３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００４１
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００４１】
被写体距離Ｏが長くなるにつれ、視差シフトｄはごくわずかになる。例えば、図５Ｂに示す設計例に関しては、２ミクロンのピクセル・サイズおよび３ミリメートルの中心間の距離Ｄでは、１メートルを超える被写体距離Ｏにおいて、視差シフトｄはごくわずかなものとなる。
【手続補正４】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００４５
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００４５】
図７は、本発明の他の実施形態による（例えば、図２および３に示す２×２または３×１ピクセル・アレイによる）アレイの一部の横断面図である。センサ７００は、複数のピクセル・アレイ７１３ｒ、７１３ｇ、７１３ｂおよび各アレイに対する対応サポート回路（図示せず）がその上に作られた基板７０１を含む。例示部分は、１つの赤色ピクセル・アレイ７１３ｒ、１つの緑色ピクセル・アレイ７１３ｇおよび１つの青色ピクセル・アレイ７１３ｂを示す。各赤色ピクセル・アレイ７１３ｒ、緑色ピクセル・アレイ７１３ｇおよび青色ピクセル・アレイ７１３ｂは、カラー・フィルタ７３１ｒ、７３１ｇ、７３１ｂをそれぞれ有する。簡単にするため、図７に示す実施形態は、８ピクセル幅のピクセル・アレイ７１３ｒ、７１３ｇ、７１３ｂを示すが、ピクセル・アレイ７１３ｒ、７１３ｇ、７１３ｂは、所望どおりに多数のまたは所望どおりに少数のピクセルを含んでよいことを理解されたい。横断面図に示していないさらなるアレイがあってもよいこともまた理解されたい。不透明壁７６０は、個々のアレイおよび撮像レンズ７２０のアレイを分離する。撮像レンズ７２０は、各ピクセル・アレイ７１３ｒ、７１３ｇ、７１３ｂそれぞれの上方に配置される。図７に示す実施形態はさらに、レンズ素子７８０ｒ、７８１ｒ、７８０ｇ、７８１ｇ、７８０ｂ、７８１ｂを含む。
【手続補正５】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図４
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図４】
2009529291.tif 000021
【国際調査報告】
2009529291.tif 000022
2009529291.tif 000023