(57)【要約】  本発明は電子カラーイメージセンサー、特に小型の撮影装置又はカメラ（携帯電話等に組み込み可能な）を製作するための非常に小型のセンサーに関する。このセンサーは観測対象のシーンの画像を一連の感光領域に投影するための光学系を備えており、この一連の感光領域は該光学系と一体化した同じ１つのモノリシック半導体チップ上に製造されている。光学系は複数の光学的サブアセンブリ（Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３、Ｌ４）を備え、一連の感光領域は個別に読み取り可能な少なくとも２つのマトリックス（Ｍ１、Ｍ２、Ｍ３、Ｍ４）に分割され、各光学的サブアセンブリは観測対象のシーン全体を各々のマトリックスに投影するように設計され、種々のマトリックスの上方には単一色の光を各マトリックスへ通すために色の異なる２つの均一フィルタ（Ｆ１、Ｆ２、Ｆ３、Ｆ４）がそれぞれ配置される。
2008526062.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
観測対象のシーンの画像を一連の感光領域に投影するための光学系を有するカラーイメージセンサーであって、前記光学系と一体化した同じ１つのモノリシック半導体チップ上に前記一連の感光領域が製造されるカラーイメージセンサーにおいて、
前記光学系は複数の光学的サブアセンブリ（Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３、Ｌ４）を備え、前記一連の感光領域は個別に読み取り可能な少なくとも２つのマトリックス（Ｍ１、Ｍ２、Ｍ３、Ｍ４）に分割され、各光学的サブアセンブリが前記観測対象のシーン全体を各々のマトリックスに投影するように設計され、種々の前記マトリックスの上方には単一色の光を各マトリックスへ通すために色の異なる２つの均一フィルタ（Ｆ１、Ｆ２、Ｆ３、Ｆ４）がそれぞれ配置されることを特徴とするカラーイメージセンサー。
【請求項２】
前記一連の感光領域が正方形に配列された４つのマトリックスに分割され、前記正方形の対角線に沿って配置された２つのマトリックスは緑色のフィルタと関連付けられ、他方の対角線に沿って配置された残り２つのマトリックスは１つが赤色のフィルタ、もう１つが青色のフィルタと関連付けられることを特徴とする請求項１に記載のイメージセンサー。
【請求項３】
前記光学的サブアセンブリの中心と前記マトリックスの中心との相対的なシフトが記憶される少なくとも１つのキャリブレーションレジスタを含むことを特徴とする請求項１又は２に記載のイメージセンサー。
【請求項４】
画像の断片を失うことなく光学的サブアセンブリとマトリックスとの間の相対的な位置決め誤差を考慮に入れることができるように前記マトリックスは観測対象の前記シーンの前記画像より大きくなっており、観測対象の前記シーンの画像全体は、前記画像の中心が該マトリックスの中心と厳密に合っていなくとも、依然として前記４つのマトリックス上に投影されることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載のイメージセンサー。
【請求項５】
前記種々のマトリックスの前記画像をポイントツーポイント対応させるための手段であって、観測対象のシーン内のオブジェクトの距離に従って、前記対応する光学的サブアセンブリの前記分離に比例し且つ前記オブジェクトの前記距離に反比例する距離だけ、２つの隣接するマトリックスの前記画像を相対的にシフトさせる手段を有することを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載のイメージセンサー。
【請求項６】
前記２つの緑色マトリックスの前記画像がどのくらいの前記シフトによって最適に重ね合わせられるかを画像相関アルゴリズムによって求めるための手段を有し、これによって、前記４つのマトリックスの前記画素の間で画像対応を確立するために緑色、青色、及び赤色の前記種々のマトリックスに対して適用しなければならない前記シフトが推定されることを特徴とする請求項２に記載のイメージセンサー。
【請求項７】
４つの異なるカラーフィルタ、特に赤色、緑色、青色、及びシアンフィルタで覆われる４つのマトリックスを有することを特徴とする請求項１に記載のイメージセンサー。 
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は電子カラーイメージセンサー、特に小型の撮影装置又はカメラ（携帯電話等に組み込み可能な）を製作するための非常に小型なセンサーに関する。
【背景技術】
【０００２】
ますます高まっている分解能、測色品質、及びコンパクト性の要件を満たしながら、可能な限り安価なプロセスでカメラ全体を製造することが望ましい。
【０００３】
カラーイメージセンサーは以下の方法で製造することができる。つまり、シリコンウェーハの表面は、マスキング、不純物注入、様々な組成物の一時的又は最終的な層の堆積、これらの層のエッチング、熱処理等、多くの工程を通される。これらの工程を使用して、感光点のマトリックスを形成するとともに、これらの感光点に関連付けられた電気信号を処理するための回路を形成する。次にシリコンウェーハの表面に色フィルタ層を堆積し、これらを個別にエッチングしてマトリックスパターンを形成する。マトリックスは、行と列に配列されたセンサーの画素ごとに、色の異なる３つ又は好ましくは４つのカラーフィルタのグループを含む。各々の感光領域の上方には、単一色の光を受光する基本フィルタが位置している。互いに隣接し合っている感光点の上方に位置する隣接し合うフィルタはそれぞれ異なる色を有する。よって、各画素は、画素を形成する４つの隣接し合う感光領域の上方に原則的に４つのカラーフィルタ（一般に緑色が２つ、赤色と青色が１つずつ）を備えている。
【０００４】
解像度が高いと、隣り合う領域の接近度が非常に大きく、かなりの光学的クロストークが発生する危険性がある。この理由として、ある感光領域に向けられた光の一部がその隣りの領域に突き当たる、又は感光領域内で光生成された電子の一部がその隣りの領域によって実際に捕捉されることが挙げられる。この結果、当然ながら、空間分解能がある程度失われ、空間周波数の高い画像シーンに主に影響を及ぼす。ただし、測色に関して言えば、特にこのような隣り合う領域間の光学的クロストーク現象は、重大であることが分かる。つまり、低い空間周波数しか持たない画像領域（例えば均等な赤色の画像領域）であっても影響を受ける可能性がある（赤色以外の色に対応する近くの画素が、それらの画素に向けられたものではない電子を系統的に検出するので、赤色は系統的に劣化する）。均等な赤色領域によって作成された電子画像はもはや赤色ではなく、緑色と青色の成分を含む。
【０００５】
この光学的クロストークは、測色の劣化を生じさせるものであり、特にＣＭＯＳ技術において発生しやすい。その理由は、ＣＭＯＳ技術の場合、カラーフィルタと感光領域との間に位置する層が高いと（数ミクロン）、クロストークが発生するからである。
【０００６】
カラーイメージセンサーには他にも測色の問題が存在し、特にモアレの問題が挙げられる。この問題は第１の色の輝度値を、第１の色に対応しない画素で、第１の色の２つの画素の間に位置している画素に与えるために実行される補間処理の結果として発生する。
【０００７】
薄基板を有することで測色品質劣化の問題を減少させる構造が特許ＦＲ−Ａ−２  ８２９  ２８９号明細書にてすでに提案されている。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本発明の目的は、測色を改善する別の方法を提供することにある。この方法は、従来の構造と薄基板構造の両方に適用可能であり、使用されている技術の如何を問わず（ＣＭＯＳであろうとなかろうと）適用可能である。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明の主題はカラーイメージセンサーであり、該イメージセンサは観測対象のシーンの画像を一連の感光領域に投影するための光学系を有し、該光学系と一体化した同じ１つのモノリシック半導体チップ上に一連の感光領域が製造されているイメージセンサーであり、一連の感光領域は個別に読み取り可能な少なくとも２つのマトリックスに分割され、光学系は複数の光学的サブアセンブリを備え、各光学的サブアセンブリが観測対象のシーン全体を各々のマトリックスに投影するように設計され、単一色の各マトリックス光を通すために色の異なる２つの均一フィルタが配置され、そのうちの１つは第１のマトリックス上方に、もう１つは第２のマトリックス上方にそれぞれ配置されることを特徴とする。
【００１０】
これにより、センサーの隣接し合う画素が異なる色のフィルタで覆われるのではなく、全マトリックスの各々が隣接するマトリックス用のフィルタとは異なる均等色のフィルタによって覆われる。
【００１１】
今日、非常に短い焦点距離を有する光学系であり、一辺あたり数ミリメートルの寸法を有し数十万個の画素から成るマトリックスにシーンの焦点画像を投影可能な光学系を製造することは公知である。これらの光学系は、センサーの一括製造中に作られセンサーに組み込まれる。つまり、シリコンウェーハ上でセンサーが集合的に作られてから、ウェーハが個々のセンサーに分割される。結果として、互いに高い精度で位置決めされた多数の光学的サブアセンブリを含むプレートを集合的に製造すること、種々のセンサーを載せたシリコンウェーハを集合的に製造し、そのマトリックスを光学的サブアセンブリの場合と同様に高い精度で位置決めすることが可能である。光学的サブアセンブリとそれぞれの感光マトリックスが向かい合うように、プレートとウェーハを並置させることができる。次にウェーハ／プレートアセンブリは個々のセンサーに分割される。各センサーは複数の光学的サブアセンブリと複数のマトリックスとを有し、観測対象のシーンの完全な画像を、マトリックスごとに均等色で受け取ることができる。
【００１２】
実際には、４つのマトリックスが使用されている。この４つのマトリックスは、マトリックスの形状が正方形である場合には正方形に配置され、マトリックスの形状が矩形である場合には矩形に配置される。正方形又は矩形の対角線に沿って配置された２つのマトリックスは緑色フィルタと関連付けられ、他方の対角線に沿って配置された残り２つのマトリックスは、そのうちの１つが赤色フィルタと、もう１つが青色フィルタと関連付けられる。
【００１３】
同一のセンサーチップの種々のマトリックスから出力された信号は結合され、画像全体をそれが持つ様々な色で表現する。結合工程は、同一マトリックスの複数の隣接する感光領域によって受光された輝度値ではなく、異なるマトリックス内に位置する複数の（４箇所の）領域及び該種々のマトリックス内の同じ相対位置内に位置する複数の（４箇所の）領域によって受光された輝度値を、電子カラーイメージの同じ１つの点（複数の色成分を含む点）に割り当てることを含むだけである。相対位置は、位置決めの不完全性を考慮したものである。つまり、光学的サブアセンブリの中心とこれに対応するマトリックスの中心との間にはシフトが存在する可能性があり、このシフトは各種光学的サブアセンブリによって異なると考えられる。
【００１４】
本発明によれば、従来技術で発生した測色に関する問題を、少なくとも部分的に特定のケースにおいて、解決することができる。これは、隣接する感光領域間で生じたクロストークが、同じ色の画素間にのみ及ぼされるようになったことによる。従来技術のように、このクロストークは、必然的な解像度の低下により明らかになるが、これは避けられず、必然的に測色の劣化が生じる。
【００１５】
この解決策では、理論上、観測対象の画像が各種のマトリックス上に全く同様に投影されること、つまり、観測対象のシーンのいかなる像点であっても４つのマトリックス上の同じ相対位置に投影されることを想定している。ただし、光学的アセンブリの精度が相対位置のこの同一性を保証するのに十分でない場合は、電子的な修正手段を見つけてこれらの位置誤差を少なくとも部分的に補償できることが後で理解できよう。
【００１６】
特に、マトリックスが観測対象のシーンの画像よりも大きいことが好ましい。このような方法において、光学的サブアセンブリとマトリックスとの間の相対的な位置決め不良に起因して観測対象のシーン内の中心点が４つのマトリックスの中心に厳密に投影されない場合、位置決め誤差をキャリブレーションしてから各種のマトリックスによって出力された信号を観測された誤差に応じて電子的にシフトさせることを、画像の断片を失わずに行うことができる。該画像の中心がこれらのマトリックスの中心に厳密に位置しなくなっても、観測対象のシーンの画像全体は４つのマトリックス上に投影されたままとなる。
【００１７】
オブジェクトからセンサーまでの距離が２つの光学的サブアセンブリの中心の間隔よりも非常に大きい場合に限り、並列に配置された２つの光学的サブアセンブリから並列に配置された同一の２つのマトリックスへのオブジェクトの画像の投影は、この２つのマトリックスに対して同様に中心におかれることに留意されたい。オブジェクトが非無限遠距離に位置している場合、２つのマトリックスに投影される画像同士は、オブジェクトが近くなるほど、遠ざかる傾向にある。シフトはオブジェクトの距離の関数（光学的サブアセンブリの所定の間隔に対する）として算出することができ、このシフトを考慮に入れることで、各種のマトリックスによって提供された画像をポイントツーポイント対応状態にすることができる。近接する２つのマトリックスにおける画像間の相対シフトは、対応する光学的サブアセンブリ同士の間隔に比例し、オブジェクトの距離に反比例する。
【００１８】
本発明の重要な特徴によれば、センサーが緑色に対して２つのマトリックス、赤色に対して１つのマトリックス、青色に対して１つのマトリックスを備えている場合、このシフトを算出することができる。この場合、比較的近く（例えば、マトリックスの焦点距離のＮ倍未満の距離、ここでＮはマトリックスに投影される画像のラインの画素数）に位置するオブジェクトの画像を取ることが求められている場合、緑色のマトリックスに対応する２つの光学的サブアセンブリは、赤色及び青色マトリックスと関連付けられえたサブアセンブリを隔てている距離と同じ距離だけ離されているという事実が使用される。この目的は、２つの緑色マトリックスの画像がどのくらいのシフトによって最適に重ね合わせられるかを画像相関アルゴリズムによって求めることであり、これにより、４つのマトリックスの画素間で画像対応を確立するために緑色、青色、及び赤色の種々のマトリックスに対して適用しなければならないシフトが推定される。
【００１９】
本発明の他の特徴によれば、測色を向上させるために、緑色マトリックスを２つ、赤色マトリックスを１つ、及び青色マトリックスを１つ使用するのでなく、４つのマトリックスが色の異なる４つのフィルタ（特に、赤色、緑色、青色、シアン色フィルタ）によってそれぞれ覆われるように設定してもよい。
【００２０】
本発明のその他の特徴及び利点は、添付の図面を参照しながら以下に詳細に説明した内容を読めば明らかになるであろう。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
図１は、ＣＭＯＳ技術によるカラーイメージセンサーの感光マトリックスの画素の一般的な配置例を示した平面図である。少数の画素しか図示されていないが、マトリックスは数十万個の画素（例えば１２０万個の画素）で構成できることを理解されたい。これらの画素の感光領域は、この例の場合、ほぼ八角形の形状をなしている。画素は一般的に水平方向及び垂直方向の導通ライン（図示せず）によって制御される。これらの導通ラインは完全な直線ではなく、八角形の輪郭に追従している。
【００２２】
図１はまた色の編成を示す。画素に関連付けられた文字Ｒは該当する画素が赤色（Ｒ）のフィルタ、文字Ｇは該当する画素が緑色（Ｇ）のフィルタ、文字Ｂは該当する画素が青色（Ｂ）のフィルタで個別に覆われていることを示す。隣接する画素は色が交互になるように並び、赤色画素及び青色画素の２倍の数の緑色画素が存在する。
【００２３】
図２は、カラーイメージセンサー（ここでは薄膜シリコンセンサー）がどのように製造されているかを図１より小さな縮尺で概略的に示した断面図であり、カラーイメージセンサーは、以下の要素で構成されている。
−  電気的接続部１２を有するベース１０。
−  非常に薄いシリコン基板２０（厚さは約１０ミクロン程度）内に形成された感光領域のマトリックス。
−  図１に示すように、隣接する画素が、交互に異なる色Ｒ、Ｇ、Ｂのフィルタによって覆われたカラーフィルタマトリックス層３０。
−  観測対象のシーンの画像全体を感光マトリックスに投影できる（カラーフィルタを介して）視像形成システム４０。光学系は１つ又は複数の透明プレートにより構成される。これらの透明プレートを使用して、互いに積み重ねられた１つ又は複数のガラス又は透明のプラスチックレンズを形成する（ここでは、単一のレンズＬが図示されているだけである）。観測されたシーンの画像の焦点をマトリックスの表面に合わせるために、感光マトリックス上方の高さ方向に光学系を極めて正確に位置決めする必要がある。この正確な位置決めを保証するために適切な厚さに形成された透明分離層３５が図２に示されている。
【００２４】
図３は本発明に係るセンサーの断面図であり、図４はこのセンサーの平面図である。
【００２５】
感光点のマトリックスは、同じ１つの集積回路チップ上で複数のマトリックスに分けて形成されており、光学系も同数の光学的サブアセンブリに分割されている。各光学的サブアセンブリは、観測対象のシーン全体の完全な視像を各々のマトリックスに投影する。各マトリックスは、均等色の単一フィルタによって覆われている。
【００２６】
好適な実施形態では、４つのマトリックスが正方形又は矩形の形式で並べられている（それぞれ２つのマトリックスの２つの行）。これらの４つのマトリックスは、Ｍ１、Ｍ２、Ｍ３、Ｍ４で表され、フィルタＦ１、Ｆ２、Ｆ３、Ｆ４及び光学的サブアセンブリＬ１、Ｌ２、Ｌ３、Ｌ４（レンズとして描かれている）によってそれぞれ覆われている。マトリックスＭ１とＭ４は対角線上に対向し、マトリックスＭ２とＭ３も同様の位置関係にある。対角線上で向かい合ったマトリックスのうちのフィルタＦ１とＦ４の２つ（ここではＭ１とＭ４）は緑色であることが好ましい。残りの２つのマトリックスのフィルタは、それぞれ赤色（マトリックスＭ２上のＦ２）と青色（マトリックスＭ３上のＦ３）となる。図３には、フィルタＦ１とＦ２、光学的サブアセンブリＬ１とＬ２、マトリックスＭ１とＭ２しか示されていない。
【００２７】
光学的サブアセンブリは実質的に同じ可視シーンを各々のマトリックスに投影する（後で示すように、マトリックスは互いに横にオフセットされるので、シフトの範囲は小さい）。
【００２８】
マトリックスは正方形のマトリックスとして示されているが、矩形フォーマットで写真を撮るのであればマトリックスを矩形とすることが可能である。
【００２９】
マイクロマシン及びマイクロアセンブリ技術による高精度の製品製造では、該当する光学的サブアセンブリは同一のものであり、同じ焦点距離を有し、４つの感光マトリックスの共通平面からの距離について見ると正確且つ等しく位置決めされているとみなすことはできる。
【００３０】
この場合、観測対象のシーンの画像が、シーンの理論的な輪郭を表す簡単に言えば白色の矩形テストパターンであると仮定すると、この輪郭は、図４の点線の矩形で表された４つの同一矩形輪郭として各々のマトリックスに投影される。ここでは、画像にひずみがないという単純な仮定としている（ひずみが存在する場合、すべての光学的サブアセンブリにおいてひずみは同じである）。
【００３１】
点線の矩形は、それらが投影される感光マトリックスに対して必ずしも同様に位置決めされるとは限らない。この理由は第１には、横に並んで同じ方向の写真を撮っている２人がカメラのシフトに比例してシフトさせられた画像を見ているのと同じように、光学的サブアセンブリは互いに横方向にオフセットされているので厳密に同じ位置で矩形を「見て」いないという事実による。ここで、光学的サブアセンブリのシフトは数ミリメートルである。これにより発生する矩形のシフトは、センサーのシフトに倍率を掛け算することにより得られる。この場合、倍率は、マトリックスに投影されるオブジェクトの画像の寸法のオブジェクト自体の寸法に対する比として定義される。従って、シーンが無限遠に広がっている場合、シフトはゼロである。更に、マトリックス上にサブアセンブリを転送する際の製品製造上の精度限界により、光学的サブアセンブリは、本来必要とされるほど正確にマトリックスに対して水平に位置決めされるとは限らない。このため、サブアセンブリの中心がマトリックスの中心に対して厳密に鉛直上にくるとは限らない。一方で、被写体であるオブジェクトが比較的近い距離にあることによるシフトが存在し、他方で、マトリックスに対する光学的サブアセンブリの相対的な位置決めが不完全であることによる本質的なシフトが存在する。
【００３２】
ただし、光学部品が同等のものであり、矩形が投影される感光領域の表面から同じ距離に該光学部品が配置されている場合、投影される矩形のサイズはすべての矩形について全く同じである。
【００３３】
従って、各種マトリックスの少なくとも本質的な相対シフトは、工場内でのキャリブレーション又はその後のキャリブレーションによって特定することができる。白色リファレンステストパターン（例えば上記した矩形）又は十分な距離（Ｎ本の画素行で構成されるマトリックスのための焦点距離のＮ倍を超える距離）をおいて配置された少数の白点の単純画像が各マトリックス上に画像を発生させ、変換ベクトルによって４つの画像から対応する関係が確立されると、十分な距離をおいて観測されたいかなるシーンの４つの画像であろうともポイントツーポイント対応する。
【００３４】
図５は、マトリックスＭ１の平面図であり、マトリックス間の本質的な相対シフトの計算を説明する。
【００３５】
マトリックスＭ１の鉛直上方にある光学的サブアセンブリの光心はＯ１で示されている。このサブアセンブリは、無限遠においてセンサーの中心軸Ｏと中心が合わされたオブジェクトの矩形画像ＩＭ１を、マトリックスに投影する。投影された画像の中心は、点Ｏ１と垂直であるので、図５に示した平面図内ではこの点Ｏ１と一致する。万一、光学的サブアセンブリとマトリックスとの位置調整が完全であるならば、マトリックスＭ１自体の中心Ｃ１も点Ｏ１と一致するとみなすことができる。簡単のために、中心Ｃ１を、マトリックスＭ１の有効部分の中心行と中心列の交点であるとみなすことができる。不完全性のため、中心Ｃ１は、中心Ｏ１に対して若干オフセットされる場合がある。マトリックスの中心Ｃ１に対する、矩形ＩＭ１の厳密な位置と中心Ｏ１の厳密な位置は、マトリックスの画素行と画素列から成る座標系で参照される。この参照工程は工場内でのキャリブレーションで実施される。この参照作業は、他のマトリックスの場合も、それらのマトリックスに無限遠に投影される同じ矩形である画像ＩＭ２、ＩＭ３、ＩＭ４を使用して実施される。
【００３６】
マトリックスＭ１に関しては点Ｏ１とＣ１とのｘ軸及びｙ軸に沿った位置の差、並びに他のマトリックスに関しても同様に点Ｏ２とＣ２、点Ｏ３とＣ３、点Ｏ４とＣ４とのｘ軸及びｙ軸に沿った位置の差は、各マトリックスによって出力される電気信号を読み取る際に、観測されたシーンの各像点を各マトリックス内の対応する点と一致させるために、生成されなければならない行に沿った各シフト及び列に沿った各シフトを決定する。なお、シーンは無限遠であると仮定する。
【００３７】
これらのシフトはキャリブレーションレジスタに記憶される。従って、これらのレジスタには、光学的サブアセンブリの中心と各種マトリックスの中心との相対的なシフトに対応する情報が含まれる。４つのマトリックスによって出力された電気信号は、上記シフトを補償するため、各種マトリックスによって出力された画像間の対応関係を正確で規則正しいものとするために、レジスタの内容に従って結合される。
【００３８】
各種マトリックスが出力する電気信号は個別に集められる（ただし、同期していることが好ましい）。
【００３９】
マトリックスＭ１及びマトリックスＭ４は、観測されたシーンの画像内の緑色の成分を表す信号を出力する。マトリックスＭ２は画像の赤色の成分を出力し、マトリックスＭ３は画像の青色の成分を出力する。
【００４０】
図４に示したマトリックスは互いに境を接していない。こうすることで、マトリックス間の隙間に必要に応じて電子デバイスを収容することができる。ただし、図６に示すように、４つのマトリックスが並置されてただ１つの連続した大きなマトリックスＭを形成する構成を有することが好ましい。ゆえにこのマトリックスは、個別に読み取り可能なことを原則とする４つの区域に分割する必要がある。よって、マトリックスに関連付けられる読出し回路については、図６に示すようにマトリックスＭの４つの区域にそれぞれ関連付けられた４つの読出しレジスタＲ１、Ｒ２、Ｒ３、Ｒ４の形式で、４つの構成要素に分割することが好ましい。
【００４１】
図４に示す構成又は図６に示す構成のいずれを使用するかに関係なく、両方の場合とも、各種の光学的サブアセンブリの相対的な位置決め誤差を確実に考慮に入れられるように、マトリックスのアクティブ表面の面積が、少なくとも数十行及び数十列だけ、観測対象のシーンの画像の最大面積より大きいことが好ましい。画像がマトリックスからはみ出ることにより観察されたシーンの一部を失う危険性なしに、本質的な位置決め誤差と、繰り返しになるが撮影されるオブジェクトの近接性に起因する画像のシフトとを考慮に入れることができる。
【００４２】
例えば１０００本の画素行と１２００本の画素列で構成される解像度１２０万画素（１画素は特定の色の像点に対応する）で画像を表現することが好ましいとすると、本発明は、色の異なる４つのマトリックスを並置することによって実施される。各々のマトリックスはおよそ５００本の行と６００本の列を有し、これらのマトリックスの画素は、従来技術で使用されていた３色マトリックスの画素と同じサイズ及びピッチを有する。
【００４３】
各種の色のマトリックスの辺の長さが、従来技術のマトリックス全体の長さの半分である場合（同じ解像度で、同じ画素面積つまり同じ感度において）、画像を投影する光学的サブアセンブリの横方向の寸法も半分である。結果として、光学的サブアセンブリの焦点距離は半分の長さとなる。よって、光学的サブアセンブリはより薄くなるだけでなく、感光マトリックスの表面により接近して配置される。それに応じてセンサー全体の厚さが薄くなる。小型のイメージセンサーの製造では、センサーの厚さが益々重要な項目となっている。本発明で達成されるこのパラメータの向上は非常に重要である。
【００４４】
このように構成されるセンサーを製造するには一括製造プロセスが使用される。つまり、全く同じ１つの集積回路ウェーハに複数のイメージセンサーが製造されるだけでなくこのウェーハに複数の光学系を有するプレートを取り付けてからウェーハ／プレートアセンブリが個々のセンサーにカットされる。各々のセンサーは光学系と一体となったシリコンチップを有する。
【００４５】
光学的サブアセンブリは、透明プレートとその上に形成されたレンズで構成されている。これらの透明プレートはガラスで製作可能であり、成形される。このサブアセンブリは、一枚のレンズで構成することも、複数の重ね合わされたレンズで構成することもできる。複数のレンズ（収束レンズ及び／又は発散レンズ）で構成する場合は、レンズ間の隙間が製造すべき光学的な機能に対応するように透明プレートを重ね合わせる。固定絞りも、レンズの形で成形されるか否かに関係なく、各光学的サブアセンブリの光学軸の周りが開いている不透明層で覆われた透明プレートから同様に形成することができる。
【００４６】
図７はイメージセンサーを示している。このイメージセンサーでは、各々の光学的サブアセンブリが２枚の重ね合わされたレンズを有している。この２枚のレンズは、重ね合わされた成形ガラスプレート４１及び４２で形成されている。ガラスプレート４１と４２はレンズ間の垂直方向の所望の間隔を調整するためにスペーサプレート４３によって分離されている。レンズの１つは、観測されたシーンから入ってくる光が通り抜ける絞り（固定されている）４５を各マトリックスの上方に形成するために、局所的に４箇所が開いている不透明層４４（例えばアルミニウム層）によって覆われている。
【００４７】
絞りはまた、プレート４２の上方にプレート４２から特定の距離をおいて配置された追加のプレート上に形成することもできる。絞りは視野絞りの機能を備えることができる。この場合、視野絞りは矩形（マトリックスと同じ形状）を呈し、近傍のマトリックスと関連付けられた光学部品によってマトリックスの照度を制限することが好ましい。
【００４８】
本発明に係るセンサーは、観測されるシーンがイメージセンサーから十分離れている場合に特に適しており、製造時の不完全性に起因する本質的なシフト以外の画像シフトを無視できる。
【００４９】
シーンが近接しているせいで、画素のサイズと比較して無視できないシフトが発生したとき（例えば、Ｎ本の行を有するマトリックスの焦点距離のＮ倍未満の距離にシーンが配置されている）、シーンの近接性に応じてシフトを調整することができる。補償すべきシフトは光学的サブアセンブリの間隔ｄに比例し、観測されたサブジェクトの距離に反比例する。
【００５０】
２つの緑色マトリックスを含む４つのマトリックスで構成されたセンサーの場合、本質的なシフトもサブジェクトの近接性に起因するシフトも存在しないならば２つの緑色マトリックスが同じ画像を認識すべきであるという事実を使用することが可能である。これまでに説明したように、本質的なシフトは、工場内でキャリブレーションすること及びその後に体系化された方法で考慮に入れることが可能であるので、この後の説明を検討する際はサブジェクトの近接性に起因するシフトのみを修正すればよい。従って、以下では光学的サブアセンブリの光心Ｏ１、Ｏ２、Ｏ３、Ｏ４がマトリックスＭ１〜Ｍ４の中心Ｃ１、Ｃ２、Ｃ３、Ｃ４とそれぞれ一致するとみなされる。
【００５１】
撮影されたサブジェクトが非無限遠距離Ｄにある場合、２つの同じ光学部品（両者の中心は距離ｄだけ間隔があけられている）で投影されたこのサブジェクトの画像は光学部品の中心に対して横方向にｄ／Ｄに比例した距離だけ、又はより正確にはｄＦ／Ｄに等しい距離だけオフセットされている。ここでＦは焦点距離である。
【００５２】
つまり、図８を参照すると以下のことが言える。
−  図８ａでは、中心Ｏを有する単一の光学的アセンブリＬが想定され、これにより、距離Ｄ離れた位置にあるオブジェクト（ベクトルＶＳ）の画像（ベクトルｖｓ）がマトリックス上に投影されている。オブジェクトＶＳ及び画像ｖｓは、マトリックスの仮定的な中心Ｃと合わせられる。この中心は光心Ｏと垂直関係にある。
−  図８ｂでは、単純な光学部品に代わり２つの光学部品Ｌ１とＬ４が使用されている。この２つの光学部品は図８ａに示した光学部品Ｌと同じものであるが、互いに横方向に距離ｄだけオフセットされている。つまり、この２つの光学部品の中心Ｏ１とＯ４は、言うならば、単一の光学部品の中心Ｏに対してそれぞれ＋ｄ／２及び−ｄ／２だけ横方向にオフセットされている。これらの光学部品は図８ａの場合（これもベクトルＶＳで表現される）と同じサブジェクトを観測している。このサブジェクトは、繰り返しになるが２つの光学部品グループの中心に合わせられる、つまり、サブジェクトは相変わらず中心Ｏに合わされたままである。この中心Ｏは、言うならば、２つの光学的サブアセンブリを有するイメージセンサー全体の中心軸を表している。よって、ベクトルＶＳは、第１の光学的サブアセンブリの中心Ｏ１に対して片側にずれており、第２の光学的サブアセンブリの中心Ｏ４に対して他の側にずれている。Ｄが無限遠ではないということにより、視差効果が生じる。
【００５３】
２つの光学的アセンブリによって与えられる画像ｖｓ１とｖｓ４は、光学部品同士が距離ｄだけ離れているという理由で互いに距離ｄだけオフセットされているだけでなく、各光学部品がサブジェクトを横方向に見て中心にあわされていないという理由で更に距離ｄＦ／Ｄだけ互いにオフセットされている。
【００５４】
Ｃ１はマトリックスＭ１の中心であり、左側に位置する光学部品Ｌ１の中心Ｏ１とは垂直関係にあると仮定し、更にＣ４はマトリックスＭ４の中心であり、左側に位置する光学部品Ｌ４の中心Ｏ４とは垂直関係にあると仮定すると、中心Ｃ１とＣ４とは距離ｄだけオフセットされている。つまり、Ｃ１はＣに対して＋ｄ／２だけオフセットされ、Ｃ４はＣに対して−ｄ／２だけオフセットされている。
【００５５】
光学部品Ｌ１によってもたらされる画像ｖｓ１は中心Ｃ１に対して左側に距離ｄＦ／２Ｄだけシフトされる。つまり、サブジェクトの画像の中心は、中心Ｃ１と一致するのでなくｄＦ／２Ｄだけ左側にシフトされる。同様に光学部品Ｌ４によってもたらされる画像ｖｓ４は中心Ｃ４に対して右側に距離ｄＦ／２Ｄだけシフトされる。
【００５６】
４つの投影用光学部品を有する本発明に係るシステムでは、対角線に沿って配置された２つの緑色マトリックス（Ｍ１とＭ４）が同じシーンを見ているという事実を使用する。ただし、このシーンは倍率がゼロでない限り２つのマトリックスの方へシフトされる。
【００５７】
マトリックスＭ１からの画像と、連続的にオフセットされたマトリックスＭ４からの画像との相互関係の計算方法は、最適な相互関係を与えるシフト値であって、２つのマトリックス上に投影された画像間に存在する全体的なシフトを表すシフト値を求めるために使用される。光学部品の正確さに欠ける位置決めに起因する本質的なシフトが存在しないと仮定した場合、又は全体的なシフトから本質的なシフトに対応するキャリブレーションを引き算した場合、後に残るのはサブジェクトの近接性に起因するシフトｄＦ／Ｄである。このシフトは、緑色マトリックスの再キャリブレーションされた中心同士をつなぐ対角線の方向に向けられたベクトルである。
【００５８】
撮影されたオブジェクトの近接性に起因するシフトの方向は知られているので、シフトサーチアルゴリズムは単純である。画像バンド（観測された主サブジェクトをおそらく含んでいる）はマトリックスＭ１及びマトリックスＭ４から取得される。これらの画像バンドは、キャリブレーションを考慮に入れた後で、各マトリックスの中心を基準として参照される。従って、画像バンドは、光学部品の中心Ｏ１及びＯ４を基準として参照される。この参照は両方のマトリックスにおいて同じである。つまり、画像バンドの中心がマトリックスＭ１内のＯ１に合わせられた場合、マトリックスＭ４内のそれに対応するバンドの中心はＯ４に合わせられる。画像全体を使用して相対関係を確立する必要はないので、画像バンドは画像全体のサンプルである。
【００５９】
Ｍ１及びＭ４からの画像バンドは、互いに減算される。この減算によって得られる画像の代表的な照度値が決定され記憶される（この値は、簡単に言えば、減算の結果生じる画像の平均照度となり得る）。
【００６０】
画像バンドサンプルを修正するには、マトリックス同士の中心をつなぐ対角線に沿って距離増分だけ該画像バンドサンプルをシフトする（これは１行画素及び１列画素のシフトを意味する）。そこで次に他の２つの画像バンドが取得される。これらのバンドの中心はマトリックスの中心に対して増分だけシフトされる。減算が繰り返され、減算の結果生じる画像の照度が決定される。
【００６１】
この工程が連続的に繰り返され、マトリックスの中心に対するバンドの相対的な位置を毎回インクリメントする。マトリックスの中心同士をつなぐ対角線の方向に沿ってより遠くに離れている（接近していない）２つの画像バンドが連続して取得される方向に、インクリメンテーションが実行される。これは図８ｂを検討することで理解できよう。つまり、撮影されたサブジェクトがイメージセンサーに接近している場合、得られる画像はオフセットされ、対角線の外側方向に向かいより遠くに離れている。オフセットのない理論的な状況（サブジェクトが無限遠に位置することに相当する）から初めて、一層大きなシフトの存在を段々と探索していくことが有利である。
【００６２】
上記の目的は、減算の結果として生じた画像に最小の照度値を与えるシフトを求めることにある。このシフトは上記ｄＦ／２Ｄ値を示している。なぜなら、最小照度値は、重ね合わせ可能な画像バンドに対応する値であり、撮影されたオブジェクトが距離Ｄ離れていた場合は各画像が互いに反対方向にｄＦ／２Ｄだけシフトされた後で重ね合わせ可能になるということが分かっているからである。
【００６３】
この最適なｄＦ／２Ｄ値が見つかったら、次にその値を使用して以下のことを行う。
−  第１に、各緑色マトリックスがセンサーの正確な中心Ｏに位置し、この中心からｄ／２だけオフセットされていないと仮定した場合の各緑色マトリックスが提供する標準の緑色画像を決定する。従って、マトリックスＭ１の画像を中心Ｃ１にｄＦ／２Ｄだけ近づけて、その画像をシフトさせる。更にマトリックスＭ４の画像を中心Ｃ４にｄＦ／２Ｄだけ近づけて、その画像をシフトさせる。
−  第２に、この値から、青色マトリックス及び赤色マトリックスに必要なシフトを推定する。撮影されたオブジェクトの近接性に起因するシフトは、２つの緑色マトリックスの場合と同じであるので、マトリックスＭ２とＭ３の中心をつなぐ対角線に沿ってマトリックスＭ２の赤色画像をｄＦ／２Ｄだけシフトさせ、更にこの対角線に沿ってマトリックスＭ３の青色画像を同じ量だけシフトさせれば十分である。光学部品の配置においては光学部品の間隔を広げる傾向にあるので、赤色マトリックス及び青色マトリックスのシフト量ｄＦ／２Ｄは対角線に沿って反対方向であるとともに各マトリックスの中心に画像を近づける方向である。
【００６４】
各マトリックス（緑色、青色、赤色）について算出されたシフトは次に、各像点を各マトリックス内の各々の点と一致させて完全なカラー画像を生じさせる再結合順序を決定するために使用される。
【００６５】
最適なシフト値を求めるためのアルゴリズムでは、より細かいインクリメンテーションを実行可能である。例えば、２つの画像バンドのうちの一方の画像バンドに対して１画素のインクリメンテーション、他方の画像バンドに対して１画素のインクリメンテーションといった具合である。また、１列ではなく１行で１画素ずつインクリメントすること、行ではなく列に沿ってインクリメントするために次のインクリメンテーションを待機することが可能である。
【００６６】
従って、上記した測色が改良されたカラー画像センサーは、近接したサブジェクトについても正確な画像を提供する。
【００６７】
また、緑色マトリックスが２つ存在するおかげで、センサーの見かけ解像度を向上させることができる。このために、緑色の一方のマトリックスに投影された画像と他方のマトリックスに投影された画像との間で、半画素の相対的シフトを使用することにより、緑色マトリックスを互いに極めて正確に位置決めすることができる（説明を簡単にするために、マトリックスの上方に位置する光学部品の中心の不完全な位置決めに起因する本質的なシフトは、考慮済み及び修正済みであるとする）。従って、緑色のチャネルではより多数のサンプリングが行われる。シフトは、行に沿った半画素と列に沿った半画素である。投影された画像はまた、対角線に沿って互いに半画素だけオフセットされる必要がある。
【００６８】
２つの画像を半画素内に位置決めするのに可能な方法の１つは、画素の寸法及びピッチがこのマトリックスが求める画素サイズの半分のマトリックスを使用して、通常サイズの画素を構成し直すために隣接する画素の電荷を加算することを含む。ＣＣＤ技術又はＣＭＯＳ技術に関係なく、各画素についてこの加算を実行してから読出しが行われる。加算される近傍のより小さい画素に応じて、半画素内に中心が置かれた通常サイズの画素が形成される。２つのマトリックスは、事実上中間に半画素のシフトが効率的に存在するように、異なるドライブを有することができる。
【００６９】
ＣＣＤ技術では、加算（「ビニング（ｂｉｎｎｉｎｇ）」とも称される）は読出しレジスタ内で４段転送ゲート制御によって実行される。
【００７０】
ＣＭＯＳ技術では、隣接する４個の小さなフォトダイオードと関連付けられた電荷蓄積ノードで加算が実行される。このノードは転送ゲートによって該フォトダイオードと隔てられているので、これらのゲートを適切に制御することにより、隣接フォトダイオードのどれに、所定の蓄積ノードに転送された電荷を認識させるかを選択できる。行と列に編成された隣接する９個のフォトダイオードを使用する場合は、フォトダイオードを４組の隣接フォトダイオードにグループ分けし、電荷蓄積ノードを各グループの中心に配置することができる。４つのグループに分けることが可能であり、これらのグループは、行に沿って、列に沿って、又は対角線に沿って互いに半画素離れたより大きな画素を構成する。
【００７１】
このため、一方のマトリックスの画素がある特定の方法でグループ分けされた場合、他方のマトリックスの画素は、２つのマトリックス間のシフトが対角線に沿って半画素となるように、別の方法でグループ分けされる。
【００７２】
図９は、所望の画素ピッチを実現するために備えられたフォトダイオードの４分の１の全体面積を有する八角形フォトダイオードを示す特定の実施形態である。矢印は４つのフォトダイオードから同時に、この４つのフォトダイオードに囲まれた蓄積ノードに対して行われる放電を示している。ある特定のフォトダイオードに対して作動する転送ゲートを選択すると、そのフォトダイオードが放電される蓄積ノードが決定される。図９ａでは４個のダイオードを特定の方法でグループ化するために転送ゲートが作動する。一方、図９ｂでは、該当するダイオードを蓄積ノードの周囲に違う方法でグループ化するために転送ゲートが作動する。図９ａ（第１の緑色マトリックス）で使用される蓄積ノードはすべて、図９ｂ（第２の緑色マトリックス）で使用される蓄積ノードに対して半画素だけオフセットされる。
【００７３】
解像度及び画像重ね合わせの精度よりも測色が重要なパラメータである場合、又はどんな場合も正しく重ね合わされる、遠方平面シーンの画像を観察することに使用者が喜びを感じる場合は、色が異なる４つのフィルタ（つまり、赤色、緑色、青色、シアン色で、各々が１つのマトリックスに関連付けられる）によってそれぞれ覆われた４つのマトリックスを、センサーが持つように設定できる。当然ならが、視差を求め修正するために２つのマトリックスから生じた画像を処理することが不可能になるので、使用者は遠方のシーンを観察することが制限される。
【図面の簡単な説明】
【００７４】
【図１】カラーイメージセンサーの公知の構成例を平面図で示しており、一連の感光領域が行と列で配列されている。
【図２】同じセンサーをより小さな縮尺で表した断面図であり、観測対象の画像全体を感光領域のマトリックスに投影する光学系が示されている。
【図３】本発明に係るセンサーの断面図であり、異なる色の複数のマトリックスに同じ画像を投影する複数の光学的サブアセンブリが示されている。
【図４】図３のセンサーの平面図である。
【図５】光学的サブアセンブリとマトリックスとの間の相対的な位置決め誤差に起因する本質的なシフトを説明する図である。
【図６】４つのマトリックスがより大きな１つのマトリックスの４つの四半分となる変形例を示す。
【図７】各マトリックスの上方に複数のレンズが設けられた例示的な実施形態を示す。
【図８】非無限遠の距離に配置された同じオブジェクトを観察する２つの光学的サブアセンブリの中心ずれに起因する画像シフトを説明する図である。
【図９】２つの緑色マトリックスを使って解像度を向上させるために、半画素の範囲内に画像の位置決めを定義できる、マトリックスの実際的な実施形態を示している。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
2008526062.tif 000009
【図８】
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【図９】
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【手続補正書】
【提出日】平成18年9月1日(2006.9.1)
【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】
観測対象のシーンの画像を一連の感光領域に投影するための光学系を有するカラーイメージセンサーであって、前記光学系と一体化した同じ１つのモノリシック半導体チップ上に前記一連の感光領域が製造されるカラーイメージセンサーにおいて、
前記光学系は複数の光学的サブアセンブリ（Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３、Ｌ４）を備え、前記一連の感光領域は個別に読み取り可能な４つのマトリックス（Ｍ１、Ｍ２、Ｍ３、Ｍ４）に分割され、各光学的サブアセンブリが前記観測対象のシーン全体を各々のマトリックスに投影するように設計され、前記マトリックスが正方形に配列され、前記正方形の対角線に沿って配置された２つのマトリックスが緑色の均一フィルタで覆われ、他方の対角線に沿って配置された残り２つのマトリックスは１つが赤色の均一フィルタ、もう１つが青色の均一フィルタで覆われ、また、前記２つの緑色マトリックスの前記画像がどのくらいの前記シフトによって最適に重ね合わせられるかを画像相関アルゴリズムによって求め、前記４つのマトリックスの前記画素の間での画像対応を確立するために前記緑色、青色、及び赤色マトリックスに対応するシフトを適用するための手段を、前記センサーが備えることを特徴とするカラーイメージセンサー。
【請求項２】
前記光学的サブアセンブリの中心と前記マトリックスの中心との相対的なシフトが記憶される少なくとも１つのキャリブレーションレジスタを含むことを特徴とする請求項１に記載のイメージセンサー。
【請求項３】
画像の断片を失うことなく光学的サブアセンブリとマトリックスとの間の相対的な位置決め誤差を考慮に入れることができるように前記マトリックスは観測対象の前記シーンの前記画像より大きくなっており、観測対象の前記シーンの画像全体は、前記画像の中心が該マトリックスの中心と厳密に合っていなくとも、依然として前記４つのマトリックス上に投影されることを特徴とする請求項１又は２に記載のイメージセンサー。
【請求項４】
前記種々のマトリックスの前記画像をポイントツーポイント対応させるための手段であって、観測対象のシーン内のオブジェクトの距離に従って、前記対応する光学的サブアセンブリの前記分離に比例し且つ前記オブジェクトの前記距離に反比例する距離だけ、２つの隣接するマトリックスの前記画像を相対的にシフトさせる手段を有することを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載のイメージセンサー。
【国際調査報告】
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