(57)【要約】【課題】開放絞りのみを使用する撮像光学系に対応し、光学系全長を薄型のまま、受光素子出力が撮像光学系の周辺光量低下による影響を受けない固体撮像装置を得る。【解決手段】複数の受光素子を有する固体撮像装置において、各受光素子に光量規制部材を有し、該光量規制部材は該固体撮像装置の中央部と周辺部でその光量規制量を異なるようにしたこと。【選択図】        図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の受光素子を有する固体撮像装置において、
光量規制部材を有し、該光量規制部材は該固体撮像装置の中央部と周辺部でその光量規制量が異なるものであることを特徴とする固体撮像装置。
【請求項２】
前記光量規制部材は前記複数の受光素子各々に対応した開口部であり、該開口部の面積は、前記固体撮像装置の周辺部が中央部より大きく形成されていることを特徴とする請求項１に記載の固体撮像装置。
【請求項３】
前記開口部を前記受光素子上の遮光膜に形成したことを特徴とする請求項１又は２に記載の固体撮像装置。
【請求項４】
前記光量規制部材を前記固体撮像装置のカラーフィルタとマイクロレンズの間に配置したことを特徴とする請求項１又は２に記載の固体撮像装置。
【請求項５】
前記光量規制部材を前記固体撮像装置のカラーフィルタと前記受光素子の間に配置したことを特徴とする請求項１又は２に記載の固体撮像装置。
【請求項６】
前記光量規制部材はグラデーションフィルタであり、該グラデーションフィルタは前記固体撮像装置の中心部の透過率が周辺部の透過率より低いことを特徴とする請求項１に記載の固体撮像装置。
【請求項７】
前記グラデーションフィルタを、前記固体撮像装置の光入射面側に配置されるカバーガラスに形成したことを特徴とする請求項６に記載の固体撮像装置。
【請求項８】
被写体光を前記受光素子面に結像させる撮像光学系と、請求項１〜７のいずれか１項に記載の固体撮像装置を有することを特徴とする光学機器。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ＣＣＤ型イメージセンサ或いはＣＭＯＳ型イメージセンサ等の固体撮像装置及びそれを備える光学機器に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、ビデオカメラ、電子スチルカメラ、カメラ内蔵携帯端末等の光学機器において、ＣＣＤ（Ｃｈａｒｇｅｄ  Ｃｏｕｐｌｅｄ  Ｄｅｖｉｃｅ）型イメージセンサやＣＭＯＳ（Ｃｏｍｐｌｅｍｅｎｔａｒｙ  Ｍｅｔａｌ−ＯｘｉｄｅＳｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）型イメージセンサ等の固体撮像装置が広く使用されている。これらの固体撮像装置は光検出効率を高めるために、複数の受光素子の光入射面側に受光素子の各々に対応して集光性のマイクロレンズが配設されているのが一般的である。このマイクロレンズにより、固体撮像装置の小型化及び多画素化に伴う受光素子面積の縮小に起因する検出感度の低下を防止している。
【０００３】
図１は、従来のカラー固体撮像装置の構造を示す要部断面図である。同図において、半導体基板１０面上に複数の受光素子１２（１２ａ、１２ｂ〜）と各受光素子に発生蓄積した電荷を転送するための複数の転送部１３（１３ａ、１３ｂ〜）を設けている。この転送部１３及び受光素子１２の上に遮光膜１１を形成し、さらに各受光素子１２の光入射側にゼラチン又はカゼイン等の赤色Ｒ、緑色Ｇ、青色Ｂに染色したカラーフィルタ１４（１４Ｒ、１４Ｇ、１４Ｂ・・・）を配設した後、各々のカラーフィルタの光入射側に複数のマイクロレンズ１５（１５ａ、１５ｂ〜）が設けられており、この上面にカバーガラス１６が配置されている。
【０００４】
一方、固体撮像装置の前方に配置される撮像光学系の射出瞳位置は、撮像光学系の小型化に伴い有限距離となり、この有限距離の射出瞳位置に対応して集光性のマイクロレンズの配列ピッチを受光素子の配列ピッチより像高が高くなるに従って順次小さく形成し、周辺部のシェーディングを補正するものが知られている（例えば、特許文献１参照）。
【０００５】
このマイクロレンズの配列ピッチを受光素子の配列ピッチより小さく形成した撮像装置は、設定した射出瞳位置とほぼ合致する撮像光学系の場合、周辺での光量減少率を中心に対して３〜４％に押さえることができるようになっている。
【０００６】
また、マイクロレンズの屈折力を中心部に比べて周辺部で強くしたものや、受光素子の配列周期を中心部に比べ周辺部で長くし、マイクロレンズは同一周期として周辺部のシェーディングを補正するものがある（例えば、特許文献２参照）。
【０００７】
【特許文献１】
特許第２６００２５０号公報
【０００８】
【特許文献２】
特許第３１７０８４７号公報
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
上述のように特許文献１及び２に記載の固体撮像装置は、撮像光学系の小型化に伴う射出瞳位置の有限距離化に対応し、その撮像光学系最終面からの光束の射出角度が像高の増加に伴って連続的に増加する場合のシェーディングの補正には効果的である。
【００１０】
一方で、撮像光学系は極度に薄型化され、カメラ外観部の厚みにして１０数ｍｍ程度の中に内蔵できるものや携帯端末の厚み方向に内蔵可能な光学系が実用化され、市販されるようになった。このような極度の薄型化のため、従来撮像光学系内に配置されていた入射光量を制限するための可変絞り等も廃止し、開放絞りのみでの撮影としているものが多い。
【００１１】
この開放絞りのみを使用する撮像光学系に上述のような固体撮像装置を使用する場合、以下の問題がある。
【００１２】
周知のように、通常の撮像光学系は均一の輝度平面に対して画面中心部と画面周辺部では到達光量が異なる。この周辺部の光量は、固体撮像素子を使用するための撮像光学系では像高の最も高い位置で画面中心に対し大凡４０％〜６０％程度である。
【００１３】
図２は、一般的な撮像光学系の周辺光量比の例を示した図である。同図は縦軸を光量比、横軸を像高で表したもので、光軸上（即ち像高０の位置）の光量を１００％としてある。同図に示すように、像高の増加に伴い光量はなだらかに減少する。なお、像高とは像面上での光軸からの距離を言い、受光部の半対角長に対する割合で表示されるものである。
【００１４】
このような撮像光学系を、上述の固体撮像装置に使用すると、射出瞳位置に対するシェーディングの補正だけでは、常に周辺光量の低下した被写体画像が得られることになる。この周辺部の光量低下の問題に対しては、画像処理段階で各像高に対応して補正する方法があるが、ノイズも同時に増幅され特に暗部において画質が劣化する問題がある。
【００１５】
本発明は上記問題に鑑み、開放絞りのみを使用する撮像光学系に対応し、光学系全長を薄型のまま、撮像光学系の周辺光量低下による影響を受けない固体撮像装置を得るとともに、この固体撮像装置を備えた光学機器を得ることを目的とするものである。
【００１６】
【課題を解決するための手段】
上記の目的は、
１）  複数の受光素子を有する固体撮像装置において、光量規制部材を有し、該光量規制部材は該固体撮像装置の中央部と周辺部でその光量規制量が異なるものであることを特徴とする固体撮像装置、
とすることで達成され、受光素子出力が撮像光学系の周辺光量低下の影響を受けない固体撮像装置を得ることができる。
【００１７】
２）  前記光量規制部材は前記複数の受光素子各々に対応した開口部であり、該開口部の面積は、前記固体撮像装置の周辺部が中央部より大きく形成されている１）の固体撮像装置、
３）  前記開口部を前記受光素子上の遮光膜に形成したことを特徴とする１）又は２）の固体撮像装置、
４）  前記光量規制部材を前記固体撮像装置のカラーフィルタとマイクロレンズの間に配置した１）又は２）の固体撮像装置、
５）  前記光量規制部材を前記固体撮像装置のカラーフィルタと前記受光素子の間に配置した１）又は２）固体撮像装置、
６）  前記光量規制部材はグラデーションフィルタであり、該グラデーションフィルタは前記固体撮像装置の中心部の透過率が周辺部の透過率より低い１）の固体撮像装置、
７）  前記グラデーションフィルタを、前記固体撮像装置の光入射面側に配置されるカバーガラスに形成した６）の固体撮像装置、
とすることで、上記同様の効果を奏する固体撮像装置を得ることができる。
【００１８】
８）  被写体光を前記受光素子面に結像させる撮像光学系と、１）〜７）のいずれかの固体撮像装置を有する光学機器、
とすることで、上述の課題を解消した光学機器が得られる。
【００１９】
即ち、本発明者は撮像光学系を薄型に保ったまま、撮像光学系の特性に対応して、撮像装置内の受光素子の位置に応じて到達光量を規制することにより、開放絞りのみを使用する撮像光学系の周辺光量低下による影響を解消できることを見出し、本発明に至ったものである。
【００２０】
【発明の実施の形態】
以下、実施の形態により本発明を詳しく説明するが、本発明はこれに限定されるものではない。
【００２１】
図３は、本発明を適用した固体撮像装置の第一の例の概略断面図である。以下の各図においては、図１と同機能の部位には同符号を配し、説明は省略する。同図で、受光素子群（有効画素部）の中心はＯＡであり、撮像光学系の光軸はこのＯＡと所定の誤差内に設定される。またＡ部は、この受光素子群（有効画素部）の中心付近、Ｂ部は中間付近（例えば半対角長の４〜６割付近）、Ｃ部は最周辺付近（例えば半対角長の８〜１０割付近）を示しており、このそれぞれの位置に対応してマイクロレンズ１５、カラーフィルタ１４は対応する受光素子１２に対し受光素子群の中心ＯＡに向かう方向にずれて配設されている。
【００２２】
一方、受光素子１２上の遮光膜１１は受光素子面上での透過部面積を異ならせて形成される。同図Ａ部近傍の透過部面積をＳ１１、Ｂ部近傍の透過部面積をＳ１２、Ｃ部近傍の透過部面積をＳ１３とすると、例えば図２で示すような撮像光学系の場合、
Ｓ１１＜Ｓ１２＜Ｓ１３
となるよう設定される。これにより、受光素子出力は撮像光学系の周辺光量の低下を補正し、均一輝度分布の被写体に対して均一な受光素子出力が得られるようになり、画像処理段階で補正してノイズも増幅される問題を解消できる。なお上述の透過部面積は、撮像光学系の周辺光量比に対応して決められるものである。即ち像面上の任意の像高位置の光量と透過部面積の積が略一定となるように設定される。このため、特性によっては、Ｓ１１＝Ｓ１２又は、Ｓ１２＝Ｓ１３となる場合も本発明を逸脱するものではない。
【００２３】
図４は、本発明を適用した固体撮像装置の第二の例の概略断面図である。同図は遮光膜１１の透過部は同一面積として、カラーフィルタ１４とマイクロレンズ１５の間に、個々の受光素子に対応した絞り部材１７を配置したものである。
【００２４】
同図において、絞り部材１７は遮光性を有するシートフィルム等で良く、受光素子面上での開口部面積を異ならせて形成される。同図Ａ部近傍の開口部面積をＳ２１、Ｂ部近傍の開口部面積をＳ２２、Ｃ部近傍の開口部面積をＳ２３とすると、例えば図２で示すような撮像光学系の場合、
Ｓ２１＜Ｓ２２＜Ｓ２３
となるよう設定される。このようにしても上述と同様の効果が得られる。なおこの開口部面積は、撮像光学系の周辺光量比に対応して決められるものである。即ち像面上の任意の像高位置の光量と開口部面積の積が略一定となるように設定される。このため、特性によっては、Ｓ２１＝Ｓ２２又は、Ｓ２２＝Ｓ２３となる場合も本発明を逸脱するものではない。
【００２５】
図５は、本発明を適用した固体撮像装置の第三の例の概略断面図である。同図は遮光膜１１の透過部は同一面積として、カラーフィルタ１４と受光素子１２の間に、個々の受光素子に対応した絞り部材１７を配置したものであり、同様に開口部面積を設定することにより上述の効果が得られる。
【００２６】
図６は、上述の第一から第三の例の透過部及び開口部の正面形状の図である。同図において受光素子群（有効画素部）の中心Ａ部付近の形状をＡ、中間のＢ部付近（例えば半対角長の４〜６割付近）の形状をＢ、最周辺Ｃ部付近（例えば半対角長の８〜１０割付近）の形状をＣに示してある。
【００２７】
同図に示すように、受光素子群中心部付近では円形であり、周辺へゆくに伴い楕円形とするのが望ましい。
【００２８】
図７は、本発明を適用した固体撮像装置の第四の例の概略断面図である。同図は、遮光膜１１の透過部は同一面積として、カラーフィルタ１４とマイクロレンズ１５の間にグラデーションフィルタ１８を配置したものである。このグラデーションフィルタ１８は、所謂ニュートラルな分光特性のもので中心から周辺へゆくに伴い同心円状に、その透過率が変化する特性を有するものでシートフィルム等にグラデーションが形成される。このグラデーションフィルタ１８の中心Ａ部付近の透過率をＴａ、中間のＢ部付近の透過率をＴｂ、最周辺Ｃ部付近の透過率をＴｃとすると、例えば図２で示すような撮像光学系の場合、
Ｔａ＜Ｔｂ＜Ｔｃ
となるよう設定される。これにより、受光素子出力は撮像光学系の周辺光量の低下を補正し、均一輝度分布の被写体に対して均一な受光素子出力が得られるようになり、画像処理段階で補正してノイズも増幅される問題を解消できる。なおこの透過率は、撮像光学系の周辺光量比に対応して決められるものである。即ち像面上の任意の像高位置の光量と透過率の積が略一定となるように設定される。このため、特性によってはＴａ＝Ｔｂ又は、Ｔｂ＝Ｔｃとなる場合も本発明を逸脱するものではない。また、カラーフィルタ１４と受光素子１２の間、或いはマイクロレンズ１５とカバーガラス１６の間に配置してもよいのは勿論である。
【００２９】
図８は、本発明を適用した固体撮像装置の第五の例の概略断面図である。同図は、グラデーションフィルタ１８の機能をカバーガラス１６に形成したものである。これにより、他の撮像光学系を用いる場合には、このグラデーションフィルタ１６の透過率変化を変更することで簡便に対応することも可能となる。
【００３０】
なお、遮光膜の透過部面積、絞り部材の開口部面積、グラデーションフィルタの透過率の変化のさせ方として、連続的に変化させてもよいし、許容誤差範囲内で、階段状に変化させてもよいのは勿論である。
【００３１】
以上、ＣＣＤを例に取り説明したが、本発明は、ＣＭＯＳ等にも適用可能なのは言うまでもない。
【００３２】
図９は、本発明の固体撮像装置を搭載した光学機器の一例であるカメラの外観図である。図９（ａ）はカメラ前面図、図９（ｂ）はカメラ背面図である。
【００３３】
同図の前面図において、２１は撮影光学系でありこの後方に本発明の固体撮像装置が配置される。更にメイン電源釦２２、レリーズ釦２３、ファインダ対物レンズ２４が適宜配置されている。背面にはファインダ接眼レンズ２５および表示ランプ２６、ＬＣＤ等の画像表示モニタ２７、モード切替スイッチ２８、その他各種の操作ボタン２９が配置されている。
【００３４】
これにより、開放絞りのみを使用する撮影光学系に対応した本発明の固体撮像装置を搭載することにより、薄型の光学系でも周辺光量の低下の影響の無い画像を得ることができ、薄型カメラの画像品質を向上させることが可能となる。なお、カメラのその他の構成要素は、周知のものであるため、説明を省略する。
【００３５】
また、光学機器の例としてカメラで説明したが、本発明はカメラより更に薄型である携帯端末にも適用可能なのは、言うまでもない。
【００３６】
【発明の効果】
以上説明したように、開放絞りのみを使用する撮像光学系に対応し、光学系全長を薄型に保ったまま、受光素子出力が撮像光学系の周辺光量低下による影響を受けない固体撮像装置を得ることができると共に、この固体撮像装置を備えた光学機器を得ることができるようになった。
【図面の簡単な説明】
【図１】従来のカラー固体撮像装置の構造を示す要部断面図である。
【図２】一般的な撮像光学系の周辺光量比の例を示した図である。
【図３】本発明を適用した固体撮像装置の第一の例の概略断面図である。
【図４】本発明を適用した固体撮像装置の第二の例の概略断面図である。
【図５】本発明を適用した固体撮像装置の第三の例の概略断面図である。
【図６】第一〜第三の例の透過部及び開口部の正面形状の図である。
【図７】本発明を適用した固体撮像装置の第四の例の概略断面図である。
【図８】本発明を適用した固体撮像装置の第五の例の概略断面図である。
【図９】本発明の固体撮像装置を搭載した光学機器の一例であるカメラの外観図である。
【符号の説明】
１０  半導体基板
１１  遮光膜
１２  受光素子
１３  転送部
１４  カラーフィルタ
１５  マイクロレンズ
１６  カバーガラス
１７  絞り部材
１８  グラデーションフィルタ
２１  撮影光学系
２２  メイン電源釦
２３  レリーズ釦
２４  ファインダ対物レンズ
２５  ファインダ接眼レンズ
２６  表示ランプ
２７  画像表示モニタ
２８  モード切り替えスイッチ
【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】
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【図８】
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【図９】
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