JP2000125209A - 固体撮像装置および信号読出し方法 - Google Patents

固体撮像装置および信号読出し方法

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JP2000125209A JP10289052A JP28905298A JP2000125209A JP 2000125209 A JP2000125209 A JP 2000125209A JP 10289052 A JP10289052 A JP 10289052A JP 28905298 A JP28905298 A JP 28905298A JP 2000125209 A JP2000125209 A JP 2000125209A
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 撮像部を高集積化するとともに、撮像部から
の信号のダイナミックレンジを従来より広くし、かつ偽
信号や飽和むらの発生を抑えることのできる固体撮像装
置および信号読出し方法の提供。 【解決手段】 固体撮像装置10は、入射光が色分解フィ
ルタ12を介して色分解された透過光をハニカム配置され
た2つの感度を有する各受光素子14a で光電変換し、隣
接する受光素子14a の間に2列分の垂直転送路14c (V1,
V2) を配設し、この垂直転送路14c と各受光素子14a の
間の信号読出しゲート14d を介して受光素子14a から垂
直転送路14c に得られた信号電荷を読み出し、さらに、
垂直転送路14c からの出力を水平転送路14e を介して水
平方向に転送する。受光素子14a は第1の所定の感度の
受光素子SHと、第1の所定の感度よりも低い第2の所定
の感度の受光素子SLを用い、出力調整部14f は、特に受
光素子SHに生じる飽和レベルを調節して飽和ムラ等を抑
制する。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、入射光を受光の際
に光電変換して電気信号として取り込む固体撮像装置に
関し、特にこの固体撮像装置はディジタルスチルカメ
ラ、ムービーカメラ、画像入力装置に適用して好適なも
のである。
【0002】
【従来の技術】一般的に、固体撮像装置を適用している
ビデオカメラは、入射光強度に対するダイナミックレン
ジの狭いことで知られている。このダイナミックレンジ
は、ある一定以上の入射光強度が入射しても撮像素子が
有する飽和レベルで入力の上限が規定されることおよび
入射光から得られる信号のS/N 比を所定の値より大きく
する下限の条件でその範囲が決められている。この関係
を考慮して受光素子の感度を低く信号レベルを抑えて飽
和しないようにして広ダイナミックレンジにしようとし
ても、この感度に依らずノイズレベルが一定のため、S/
N 比低下の影響を受けてダイナミックレンジの下限が上
昇し、この分だけ狭くなる。結局、ダイナミックレンジ
は、実質的に拡大できないことになる。
【0003】この問題を受けて、特公平8-34558 号の公
報は、入射光強度に対して広い範囲にわたってS/N 比の
良好な信号変換を行えるビデオカメラを提案している。
このビデオカメラには、撮像部に低感度撮像素子部と高
感度撮像素子部を備え、それぞれの出力をレベル変換し
た値を基準電圧と比較していずれかのレベル値の出力を
瞬時に切り換えることにより、入射光強度を光電変換し
て得られる信号のダイナミックレンジを従来より顕著に
拡大させている。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】ところで、上述したビ
デオカメラには、低感度素子の受光セルを奇数列に配し
高感度素子の受光セルを偶数列に配している。ところ
が、ダイナミックレンジ拡大の問題と別に、この撮像部
により得られる信号には、開口の形状に依存して水平/
垂直方向の画素ピッチが異なる、いわゆる空間的な異方
性が存在するので、水平/垂直解像度に関する問題や偽
信号の発生等が大きな問題として生じる。
【0005】また、この構成では1ライン単位に信号の
垂直転送が同時に行われていることから、低感度素子と
高感度素子からそれぞれ得られた出力が水平転送レジス
タに垂直転送され、これらの出力が水平転送レジスタで
合成される場合、画像には高感度素子の性能のばらつき
によりこの高感度素子の部分に飽和ムラが生じ画質に影
響してしまうことが知られている。このようにビデオカ
メラは、画像を高画質化することが難しかった。
【0006】これらの問題とは異なる高集積化に関する
観点から、最近、新たな受光素子の配置として、受光素
子の幾何学的な形状の中心を行方向および列方向にピッ
チの半分ずらして配置する、いわゆるハニカム配置の固
体撮像装置に対して、特開平6-77450 号公報や特開平10
-13639号公報等のように様々な提案がされている。特開
平6-77450 号公報では、受光素子の形状を菱形の一つで
ある正方形にして各辺が垂直方向に45°の角度をなすよ
うにして開口率を高くして固体撮像装置の小型化が図ら
れている。また、各受光素子の上にはマイクロレンズを
配設して集光効率を向上させている。
【0007】特開平10-13639号公報では、隣接する行の
光電変換素子の配列間隔のほぼ1/2だけ相対的にずらし
同一行の隣接する光電変換素子間に2列分の列方向で電
荷転送装置が配され、その一つが斜め方向に隣接する光
電変換素子からの電荷転送に用いてする電荷転送装置を
蛇行させて形成することにより、光電変換素子の高集積
化、受光光率の向上等を図りながら、モアレ等の偽信号
の抑制が行われている。
【0008】本発明はこのような従来技術の欠点を解消
し、撮像部を高集積化するとともに、撮像部からの信号
のダイナミックレンジを従来より広くし、かつ偽信号や
飽和ムラの発生を抑えることのできる固体撮像装置およ
び信号読出し方法を提供することを目的とする。
【0009】
【課題を解決するための手段】本発明は上述の課題を解
決するために、被写界からの入射光を色分解する色分解
手段と、行および列方向に配列され、この色分解手段で
色分解された入射光を受光して、この入射光に応じた信
号電荷を生成する複数の受光素子とを含み、この複数の
受光素子は、第1の所定の感度を有する第1の受光素子
群と、第1の所定の値より低い第2の所定の値の感度を
有する第2の受光素子群とからなり、第1の受光素子群
に含まれる受光素子のそれぞれは、第2の受光素子群に
含まれる受光素子のそれぞれと互いに隣接し、第1の受
光素子群に含まれる受光素子は、第2の受光素子群に含
まれる受光素子に対して、各受光素子の幾何学的な形状
の中心が互いに行方向および/または列方向にこの受光
素子のピッチの半分に相当する距離だけずれて配列さ
れ、さらに、第1の受光素子群に含まれる受光素子のう
ち行方向に隣接するものの間にこの受光素子からの信号
電荷を列方向に転送する第1の列方向転送路と、第2の
受光素子群に含まれる受光素子のうち行方向に隣接する
ものの間にこの受光素子からの信号電荷を列方向に転送
する第2の列方向転送路と、第1および第2の列方向転
送路に信号電荷を読み出す信号読出し手段と、第1およ
び第2の列方向転送路からの出力を行方向に転送する行
方向転送路と、第1の受光素子群から得られた信号の飽
和レベルを調整して第2の受光素子群から得られた信号
を合成する信号合成手段とを含むことを特徴とする。
【0010】ここで、第2の受光素子群の受光素子の感
応領域は、少なくとも、前記第1の受光素子群の受光素
子の感応領域よりも小さいことが好ましい。これによ
り、受光素子群に光量差を提供する。
【0011】第2の受光素子群の受光素子は、各受光素
子に対して透過光の側に配して透過光を受光素子に導く
導光部材の開口面積を第1の受光素子群での開口面積よ
りも小さくすることが好ましい。これにより、各受光素
子に同一の光量が供給された場合、色分解手段からの透
過光に生じる色毎の差を第1の受光素子群と第2の受光
素子群との受光素子に感度の差で吸収することにより、
出力する信号電荷量の比率を同じにできる。
【0012】色毎の光量差を吸収するには、上述した構
成に限定されるものでなく、第1の受光素子群の受光素
子上だけに入射光の側に前記入射光を集光する集光手段
を配するようにしてもよい。これにより、色バランスを
均一にすることができる。この場合、集光手段は、たと
えば、マイクロレンズである。
【0013】受光素子すべてに集光手段が配設される場
合、第2の受光素子群の受光素子に対応して設ける集光
手段の形状を第1の受光素子群の受光素子における集光
手段の形状と異ならせて第2の受光素子群の受光素子へ
の入射光の集光率を低下させることが望ましい。
【0014】さらに、集光手段の形状は、集光手段の集
光面の曲率または集光手段を透過する入射断面積の大き
さで規定するとよい。
【0015】また、色毎の光量差をもたらす色分解手段
を用いてこの差の吸収を行う場合、色分解手段は、第2
の受光素子群の各受光素子の位置に対応して透過光を減
少させる減光機能を含むことが望ましい。具体的な例示
として、色分解手段は、減光機能を有する部分の色フィ
ルタに対してこの色フィルタの膜厚の増加または遮光す
る濃度の濃いフィルタにするとよい。
【0016】第1および第2の受光素子群に対する色分
解手段の色フィルタ配列は、ともに同じ配列にすること
が好ましい。これにより、互いに第1および第2の受光
素子群の近傍に位置する受光素子の同一色からそれぞれ
得られた信号電荷を用いて色毎に信号を合成すると、各
色毎の信号におけるダイナミックレンジの広い信号が得
られるようになる。
【0017】第1の受光素子群の色分解手段の色フィル
タ配列は、原色フィルタをそれぞれ配し、第2の受光素
子群の色分解手段のフィルタ配列は、輝度情報のみを得
る原色フィルタとすることが有利である。これにより、
第1の受光素子群に対応してたとえば、原色フィルタの
R, Bを配列させて、第2の受光素子群に対応して原色フ
ィルタのG にすると、入射光を各受光素子に入射させて
も第1の受光素子群での光電変換効率が通常の効率より
も高く、第2の受光素子群での光電変換効率が通常の効
率よりも低くなるので、色毎の透過光の光量の差を解消
するように信号電荷を生成することができる。
【0018】行方向転送路は、第1の受光素子群と第2
の受光素子群からの出力をそれぞれ同時に出力する第1
の転送路と第2の転送路を備え、第1の転送路と第2の
転送路の間に、第1の転送路から第2の転送路に信号電
荷を飛び越させる信号飛越し手段を含むことが好まし
い。これにより、第1の受光素子群または第2の受光素
子群の一方の信号電荷を信号飛越し手段により第1の転
送路から第2の転送路に移動させ、この移動した信号電
荷に対して第2の受光素子群または第1の受光素子群の
他方の信号電荷を第1の転送路に読み込み、両受光素子
群の信号電荷を同時に出力させる。色バランスのとれた
信号電荷が信号として出力される。
【0019】信号合成手段は、さらに、第1および第2
の転送路からの出力をそれぞれ増幅する第1および第2
の増幅手段と、この第1およびこの第2の増幅手段から
の出力をライン単位で加算するライン合成手段とを含
み、第1の増幅手段は、所定の信号レベルでスライスす
るレベルクリップ手段を含むことが好ましい。これによ
り、同じ入射光の光量を異なる感度の受光素子で光電変
換しても、第1の増幅手段で所定の信号レベルの越えた
分を排出して信号電荷の上限値が規定されるので、ライ
ン合成手段で第1の増幅手段と第2の増幅手段からの出
力差を解消させることができる。したがって、これらの
出力を加算しても色バランスを均一化させることができ
る。
【0020】ところで、行方向転送路は、1つとし、信
号合成手段は、第1の受光素子群と第2の受光素子群か
ら得られた信号を画素単位で出力する選択手段と、この
選択手段の出力の内、第1の受光素子群から得られた信
号を所定の信号レベルでスライスするレベルクリップ手
段と、このレベルクリップ手段からの出力と選択手段の
出力の内、第2の受光素子群から得られた信号とを加算
する画素合成手段とを含むことが好ましい。これによ
り、画素単位での出力差をなくして色バランスの均一化
を図ることができるようになる。
【0021】また、行方向転送路は、1つで、かつこの
行方向転送路に所定の信号レベルが設定されていると
き、さらに、行方向転送路に隣接して配される、所定の
信号レベル以上にある行方向転送路の信号を掃き出す掃
出し手段を含み、行方向転送路は、この行方向転送路か
ら掃出し手段への信号の排出をこの行方向転送路に供給
される駆動信号の電位に応じて行うことが望ましい。駆
動信号の電位によって所定の信号レベル以上の信号電荷
が掃出し手段に掃き出されるので、信号電荷量の上限が
規定される。この場合も、同じ入射光量が入射すると
き、第1と第2の受光素子群から得られる信号電荷量の
バランスが取れるようになる。
【0022】第2の受光素子群の受光素子は、第1の受
光素子群の受光素子が蓄積によって達する飽和レベルよ
りも信号電荷の蓄積量が少ないことが望ましい。この飽
和レベルの差が、第1の受光素子群の受光素子と第2の
受光素子群の受光素子との間のダイナミックレンジの範
囲を広くすることができる。
【0023】第1の列方向転送路は、前記信号電荷を列
方向に転送する転送路の幅を前記第2の列方向転送路の
幅よりも広くすることが好ましい。
【0024】本発明の固体撮像装置は、入射光が色分解
手段を介して色分解された透過光を各受光素子の幾何学
的な形状の中心が互いに行方向および/または列方向に
受光素子の間隔を示すピッチの半分ずらした位置に照射
させて複数の感度で光電変換し、行方向に隣接する受光
素子間に列方向に2列分の列方向転送路を配設して、こ
の列方向転送路と各受光素子の間の信号読出し手段を介
して受光素子から列方向転送路に得られた信号電荷を読
み出し、さらに、列方向転送路からの出力を行方向転送
路を介して行方向に転送するものであり、受光素子を受
光素子の感度が所定の感度以上の第1の受光素子群と、
この第1の受光素子群よりも低い感度の第2の受光素子
群とをからなることにより、両受光素子群の信号を合成
して得られる信号のダイナミックレンジを広くすること
ができる。信号合成手段で第1の受光素子群からの出力
の上限(飽和レベル)を調整し、信号電荷量を均一にな
るようにして偽信号の発生や飽和ムラ等を抑制してい
る。また、この配設により、従来のハニカム配置よりも
受光素子の面積あたりの利用効率を高く等方性を持たせ
ることができる。さらに、2列分の列方向転送路の一つ
は、行方向に隣接する受光素子に対して斜め方向に配さ
れた第1の受光素子または第2の受光素子からの出力を
転送するように形成されているので、受光素子を迂回す
るように列方向に配された受光素子に対して対称な蛇行
が形成され無駄なスペースのない効率的な配設が可能に
なる。
【0025】本発明は、入射光を異なる感度の受光素子
と、信号電荷を列方向に転送する列方向転送路と、信号
電荷を行方向に転送する行方向転送路とを用いて、2次
元に各受光素子の幾何学的な形状の中心が互いに行方向
および/または列方向に受光素子の間隔を示すピッチの
半分ずらした位置に配列させた各受光素子での光電変換
により得られた信号電荷を前記列方向転送路、行方向転
送路を介して読み出す信号読出し方法であって、異なる
感度の一方を他方の感度より高くし、それぞれの高感度
と低感度で受光する受光工程と、受光工程で得られた高
感度と低感度の信号電荷をそれぞれ独立に列方向転送路
に読み出す読出し転送工程と、読出し転送工程により転
送された信号電荷を順次列方向に転送して行方向転送路
に転送する列転送工程と、この列転送工程から行方向転
送路に転送された信号電荷をそのままライン単位または
受光素子に対応した画素単位で行方向に転送する行転送
工程と、この行転送工程に伴う信号電荷の出力先を異な
る感度に応じて選択する出力先選択工程と、この出力先
選択工程で一方の高感度に選択された出力が所定のレベ
ル以上にある場合にこの出力を所定のレベルでスライス
するレベルスライス工程と、このレベルスライス工程の
出力と出力先選択工程で他方の低感度に選択された出力
とを合成する出力合成工程とを含むことを特徴とする。
【0026】ここで、受光工程は、受光素子の複数の感
度に応じて露光時間が制御されることが好ましい。受光
素子は、たとえば、各感度に応じて複数の基板に配設す
る多板方式に適用することが望ましい。これにより、そ
れぞれの感度に応じた露光が行われるので、光量に対す
る受光素子の光電変換効率と露光時間の積で表す信号電
荷量が同程度とバランスよく生成して偽信号の発生を抑
制することができる。
【0027】行転送工程は、列転送工程により一方の行
方向転送路に信号電荷を供給する第1の工程と、この第
1の工程により供給された信号電荷を他方の行方向転送
路に移す飛越し工程と、この飛越し工程の後に、列転送
工程により一方の行方向転送路に新たな信号電荷を供給
する第2の工程と、飛越し工程および第2の工程とで供
給された信号電荷を同時に出力する同時出力工程とを含
むことが有利である。これにより、異なる感度の信号電
荷が供給された際に、それぞれの信号電荷を混合するこ
となく、そのまま出力することができる。この場合、ラ
イン単位で信号電荷を出力するので、画像信号との対応
関係の良好な信号として得られ、この後の信号処理が容
易になる。
【0028】レベルスライス工程は、一方の高感度の信
号電荷を行方向転送路に供給した後、この行方向転送路
での信号電荷量を通常より少ない所定の量に規定する駆
動信号の制御を行う第1の駆動工程と、この第1の駆動
工程の後、行方向転送路での信号電荷量を通常の量に規
定する駆動信号の制御を行う第2の駆動工程とを含み、
出力合成工程は、第1および第2の駆動工程に従ってそ
れぞれ供給される信号電荷を各位置で保持し、行方向転
送路から出力することが好ましい。この手順により、異
なる感度による信号電荷が供給された、それぞれの信号
電荷量を均一にして出力することができる。この後に行
う信号処理を容易にすることができる。
【0029】出力合成工程からの出力が列方向に間引か
れる際に、高感度と低感度の信号電荷を一対として間引
くことが有利である。これにより、間引き処理された際
に得られる信号の関係も配設された受光素子の関係を保
って高感度と低感度の信号で得ることができる。
【0030】本発明の信号読出し方法は、異なる感度の
一方を高感度とし、他方を低感度として受光し、得られ
た高感度と低感度の信号電荷をそれぞれ独立に列方向転
送路に読み出して順次列方向に転送して行方向転送路に
転送し、行方向転送路に転送された信号電荷をそのまま
ライン単位または受光素子に対応した画素単位で行方向
に転送する。この転送時に伴い信号電荷の出力先が異な
る感度に応じて選択する。この選択の内で一方の高感度
に選択された出力が所定のレベル以上にある場合にこの
出力を所定のレベルでスライスした後、このレベルスラ
イス工程の出力と出力先選択工程で他方の低感度に選択
された出力とを合成して出力することにより、偽信号の
発生を抑制し、飽和ムラ等を防止する。
【0031】
【発明の実施の形態】次に添付図面を参照して本発明に
よる固体撮像装置および信号読出し方法の実施例を詳細
に説明する。
【0032】本発明の固体撮像装置は、感度(すなわ
ち、光電変換効率)の異なる受光素子を受光素子の感応
領域の大きさ、すなわち、セルの大きさで感度の差をも
たらした撮像信号を用いてダイナミックレンジの拡大を
図るとともに、信号レベルをクリップして飽和ムラをな
くしている。さらに、これらの受光素子を、いわゆる、
ハニカム配置に配設して、従来のハニカム配置の面積あ
たりの使用効率よりも高くでき、偽信号の発生を抑制す
ることに特徴がある。なお、受光素子の感度差を用いて
色分解手段の色毎に生じる光量差を解消させることによ
り、色バランスの良好な画像を提供することも可能にす
る。
【0033】第1の実施例の固体撮像装置10には、被写
界からの入射光を光学系(図示せず)により集光して像
を形成する光路上にこの入射光を色分解するカラーフィ
ルタ12(図示せず)およびこのカラーフィルタ12からの
透過光を受光する受光素子が2次元に配置された撮像部
14が備えられている。また、固体撮像装置10には、撮像
部14からの出力に各種の信号を施すカラー信号処理部
(図示せず)も備えられている。カラー信号処理部に
は、ガンマ変換部、A/D 変換部、信号処理部が含まれて
いる。本実施例は、上述した本発明の特徴を含む撮像部
14とその周辺の部材について説明する。なお、固体撮像
装置10は、撮像部14の受光素子が、たとえば、電荷結合
素子(CCD )や金属酸化膜型半導体(MOS )等のいずれ
のイメージセンサでもよい。
【0034】固体撮像装置10を光が入射する側から見る
と、撮像部14を視認することができる。図1の撮像部14
は、その要部を拡大した平面図である。撮像部14には、
複数の受光素子14a 、遮光部材14b 、垂直転送路14c 、
信号読出しゲート14d 、水平転送路14e および出力調整
部14f が備えられている。
【0035】受光素子14a は、入射光を受光した際に光
を受光光量に応じた電気信号に光電変換する光センサで
ある。すなわち、この受光素子14a が画素に対応した受
光セルである。2次元的に配されている、受光素子14a
は、後述するように、いわゆるハニカム配置で配されて
いる。撮像部14は、入射光の入射する側に遮光部材14b
で覆われている。その中で撮像部14は、遮光部材14b に
形成された貫通口、すなわち受光素子14a に透過光を照
射するように受光素子14a の配置されている位置に形成
された開口部14A を介して入射光を受光している。
【0036】また、受光素子14a には、入射光を電気信
号に変換する受光感度、すなわち光電変換効率がすべて
同じものを用いるというわけではなく、複数の受光感度
の受光素子を用いている。受光素子14a の素子形成過程
が同じ処理を経て形成されると同じ受光感度の光センサ
が得られる。この場合、光センサに受光感度の違いを持
たせる要素には、光電変換する光量の多少がある。この
点に着目して感度差を持たせれるように、通常の受光感
度よりも高感度の受光素子群の受光素子SHとするには、
開口部14A の面積を大きくする。また、低感度の受光素
子群の受光素子SLは、開口部14A の面積を通常の受光感
度を有する面積よりも小さくする。たとえば、受光素子
SLは、受光素子SHのセルサイズに比べて半分に形成する
とともに、受光素子SLの感度自体も受光素子SHの受光感
度に比べて1/20にする。そして、低感度の受光素子S
Lは、受光素子SHの蓄積する信号電荷の飽和量よりも少
ない量で飽和するように形成している。これらについて
後段でさらに、言及する。
【0037】この2種類の感度が異なる受光素子14a を
ハニカム配置する。ハニカム配置は、受光素子の幾何学
的な形状の中心が互いに行(水平)方向および/または
列(垂直)方向に受光素子の間隔を示すピッチの半分、
すなわち1/2 ピッチずらして受光素子を配する配置であ
る。この場合、受光素子の形状は、ハニカム配置を構成
する上で配置効率のよいとされる、正方格子の四隅を切
り欠いた、八角形とする。この同一形状の受光素子を配
置した場合、図2(a) に示すような受光素子の近接配置
になる。ここで、受光素子SLを受光素子SHのセルサイズ
の半分にしてハニカム配置すると、図2(b) のように受
光素子SLと受光素子SHとの間に隙間が生じる。この隙間
を埋めるように配すると、受光素子SLと受光素子SHの配
置は、図2(a) より稠密な配置になる(図2(c) を参
照)。受光素子SLを小さくすることにより、この他、受
光素子SHのセルサイズを通常使用しているセルサイズよ
りも大きくしたり、撮像部14の同一の面積(チップサイ
ズ)内に配置される画素数を増やすこと等ができるよう
になる。また、サイズに関わらす受光素子14a の形状に
よって空間的な等方性が保たれる。
【0038】垂直転送路14c は、電荷結合素子で、遮光
部材14b で覆われている領域内に受光素子14a の形状に
応じて隣接形成されている。しかも水平方向の隣接する
受光素子14a の間には2本の垂直転送路14c (V1,V2) が
形成されている。2本の垂直転送路14c の内、受光素子
SHに隣接している垂直転送路14c (V1)は、高感度に得ら
れる信号電荷の飽和量が受光素子SLより多いので、この
飽和量を正確に転送するよう転送路の幅を広く形成す
る。一方の受光素子SLに隣接している垂直転送路14c (V
2)は、転送する信号電荷の量が少ないので、狭い幅で済
ませるようにしてもよい。このように垂直転送路14c を
形成すると、撮像部14の面積を有効に使用することがで
きる。撮像部14の面積の有効利用を図るため、受光素子
14a との垂直転送路14c との間隔を一定の距離に納めた
結果、垂直転送路14c は、受光素子14a に沿って蛇行
し、受光素子14a に対して2本の垂直転送路14c が対称
に形成される。垂直転送路14c は、絶縁膜を介して複数
の導電性電極14j (図10を参照)が、たとえば、垂直転
送路14c 上に形成されている。電極は、形成した電極の
個数に応じて異なる相の駆動信号が供給され、この駆動
信号の1サイクルで垂直方向に信号電荷を1段水平転送
路14e 側に転送させている。
【0039】信号読出しゲート14d は、受光素子14a と
垂直転送路14c との間に受光素子14a で得られた信号電
荷を垂直転送路14c に転送するスイッチングの役割を果
たすゲートである。水平転送路14e も電荷結合素子で、
受光素子14a に沿って形成されている垂直転送路14c か
らそれぞれ供給される信号電荷を水平方向に転送する転
送路である。本実施例では、1本の水平転送路14e を用
いている。
【0040】出力調整部14f には、感度出力選択部140
、信号スライス部142 および出力合成部144 が備えら
れている。感度出力選択部140 は、水平転送路14e から
ライン単位あるいは画素単位で出力される信号電荷を高
感度と低感度とに分類する。感度出力選択部140 は、図
示しない制御部からの制御信号に応じて分類を行う切換
スイッチである。信号スライス部142 は、予め蓄積でき
る信号電荷量の上限値を設定しておき、この信号電荷量
を越える電荷量を棄てる。なお、たとえば、信号電荷量
を電流−電圧変換(I/E 変換)して駆動信号の電圧をあ
る電圧に設定し容量を越えた分の電流に対応する電圧を
クリップさせてもよい。この場合、低感度の信号電荷に
もI/E 変換を施す。
【0041】出力合成部144 は、低感度の信号電荷と信
号スライス部142 でカットされた高感度の信号電荷の2
ライン分の信号を合成して出力する。ライン単位で合成
する場合、タイミング調整しながら、信号電荷が混合し
ないようにして出力する。このため、図示しないが出力
調整部14f には、タイミング信号が供給されている。ま
た、出力調整部14f は本来、信号の増幅を行う出力アン
プ146 も含む。
【0042】図面に現れていないが、色分解フィルタ12
は、撮像部14の入射光が入射する側に配設させている。
色分解フィルタ12には、原色フィルタR, G, B を用い
る。この原色フィルタの色の配列パターンには、たとえ
ば、G 縦ストライプRB完全市松パターンが適用されてい
る。
【0043】ところで、一般に、日中での撮影の色温度
(5000K 〜6000K )やストロボ撮影に用いられるタング
ステン(W )ライトの色温度(6000K )という最も撮影
頻度の高い色温度でRGB 毎に得られる信号の感度比S
は、それぞれ0.7, 1, 0.8 にあることが知られている。
感度比S の大きさ(S(G)>S(B)>S(R))と逆の比の大小関
係になるように補正をかける。すなわち、同一の構成に
しても感度比S が最大になるG の透過光が照射される受
光素子を低感度の受光素子SLにする。また、感度比がほ
ぼ同程度のRBに対して高感度の受光素子SHを割り当て
る。この割り当てによれば、色毎に異なる感度比のアン
バランスを調整することで生じる色S/N の低下を解消す
るように補正することができる。
【0044】次に固体撮像装置10の動作を説明する。供
給される駆動信号に応じて入射光を受光素子14a で撮像
する。受光素子14a は、前述したように高感度の受光素
子群の受光素子SHと低感度の受光素子群の受光素子SL
ある。撮像部14の両者の受光素子に対して平均的な光量
を照射し、露光時間を同一にした際に、両者の受光素子
には、開口面積を異なる一因により光量の差が生じた結
果、光電変換により得られる信号電荷量の違いが感度差
としてもたらされる(図3を参照)。本実施例では、受
光素子SLは、受光素子SHのセルサイズを基準にすると、
各辺の長さが半分で、受光光量が1/4 になる。受光素子
SLは、受光素子SHの感度に比べて1/20の傾きに設定して
いる。図3から判るように、受光素子SHは、明るさが暗
くても信号電荷の生成量CHが大きい。しかしながら、明
るさに対し対応できる範囲BHは低感度の明るさの範囲に
比べて狭い。受光素子SHが飽和量CSH に達し、受光素子
SLの飽和量CSL が飽和量CSH よりも低くても、受光素子
SLは、信号電荷生成の傾きが緩やかなので、明るさに比
例して電荷生成させることができる(図3の受光素子SL
の信号電荷の生成量CLを参照)。このような感度の差を
設けると、受光素子SHが入射光で飽和した場合、受光素
子SLはまだ飽和していないので、受光素子SLから得られ
る信号を用いると良好な撮像信号が得られることにな
る。
【0045】得られた信号電荷は、各受光素子14a と垂
直転送路14c の間に形成された信号読出しゲート14d を
開状態にすることで垂直転送路14c に転送される。信号
読出しゲート14d は、供給される駆動信号に応じてゲー
トの開閉が行われる。垂直転送路14c には、導電性電極
を介して、たとえば、4相駆動信号が供給される。この
4相駆動信号に応じて動作させると、垂直転送路14c の
信号電荷を水平転送路14e の方向(すなわち、垂直方
向)に1段だけ転送させる。この転送を繰り返すと、信
号電荷が水平転送路14e の方向に移動する。図1の場
合、受光素子SHからの信号電荷が水平転送路14e に最初
転送される。このとき、受光素子SLに対応する水平転送
路14e は空である。さらに、同一行の受光素子から垂直
方向に1段転送されると、水平転送路14e には、受光素
子SHに対応する位置の信号電荷が空状態で、受光素子SL
に対応する位置の信号電荷が供給される。この一連の転
送処理により、水平転送路14e は2ライン分の信号電荷
を有する。
【0046】水平転送路14e は、駆動信号により2ライ
ン分を1ライン単位のように出力調整部14f に出力する
ライン出力の場合と、各画素単位に出力する画素出力の
場合がある。ライン出力の場合、出力調整部14f の感度
出力選択部140 は、出力選択先を信号スライス部142 に
固定する。信号スライス部142 は、一度に2ライン分の
信号電荷を取り込み、これらの信号電荷の蓄積可能な電
荷量が設定されている。設定されている電荷量を越えた
信号電荷は、蓄積することなく、たとえば図示しないが
掃出しドレインを介して排出する。信号スライス部142
は、上限値で切られた信号電荷を出力合成部144 の一端
側に出力する。出力合成部144 には、感度出力選択部14
0 の選択先が固定されているので、他端側から供給され
る信号電荷がない。この場合、出力合成部144 は、信号
スライス部142 から供給された信号電荷をそのまま出力
する。信号スライス部142 からの出力は、設定されてい
る電荷量でクリップされることになるので、飽和レベル
が均一化され、ムラの発生が抑制される。
【0047】また、画素出力の場合、感度出力選択部14
0 は、水平転送路14e に高感度として得られた信号電荷
と低感度の信号電荷として得られた信号電荷とが交互に
配された2ライン分の信号を制御信号に応じて切り換え
る。高感度の信号電荷は、感度出力選択部140 で信号ス
ライス部142 に送られ、低感度の信号電荷は、そのまま
出力合成部144 の他端側に供給される。ただし、信号ス
ライス部142 での処理に時間を要するとき、感度出力選
択部140 と出力合成部144 との間に遅延素子を配して出
力合成部144 へのタイミングを調整するようにしてもよ
い。出力合成部144 は、画素単位に調整された2ライン
分の信号を出力する。これによっても、信号の飽和ムラ
を防止することができる。このように1つの水平転送路
14e により信号を出力すると、信号処理が容易にするこ
とができるようになる。また、出力合成部144 を設けず
に外部にラインメモリを設けて処理してもよい。
【0048】色分解フィルタ12が受光素子SHと受光素子
SLのそれぞれに対して配する色フィルタの配列を全く同
じにしていると、ハニカム配置によって得られる解像度
より低い解像度になる。しかしながら、得られる画素毎
に分類して画面を構成すると、図4に示すように一回の
撮像で感度の異なる画像PH, PLを生成させることができ
る。入射光量に応じて得られる画像PH, PLを選択的に切
り換えると、固体撮像装置10は、ダイナミックレンジの
広い画像を出力することになる。
【0049】次に固体撮像装置10の前述した実施例の第
1の変形例を図5を参照しながら説明する。図1と共通
する部分に同じ参照符号を付し、説明を省略する。この
変形例では、水平転送路14e の他に水平転送路14h と複
数用い、水平転送路14e, 14hの間には、飛越しゲート14
g が配されている。また、出力調整部14f は、2本の水
平転送路14e, 14hおよび飛越しゲート14g を設けること
で高感度の信号電荷と低感度の信号電荷を分類している
ので、感度出力選択部140 を不要にしている。図5の受
光素子14a における感度別の配列は、高感度の受光素子
SHが最も水平転送路14e に近い位置にあるから、感度毎
に信号電荷をまとめると受光素子SHからの信号電荷が水
平転送路14h から出力される。これに対応して、出力調
整部14fの信号スライス部142 は、水平転送路14h の出
力を扱える位置に配設される。また、出力調整部14f の
出力アンプ146 は、水平転送路14e からの低感度の信号
電荷の出力を調整している。
【0050】信号読出し手順を説明すると、受光し得ら
れた信号電荷の垂直転送は、前述した実施例に全く同じ
で、図示しないが各垂直転送路14c や水平転送路14e, 1
4hには駆動信号が供給されている。列方向に配された垂
直転送路14c の内、高感度の信号電荷が最初に水平転送
路14e に供給される。次に飛越しゲート14g を駆動信号
によりオン状態にして、この供給された高感度の信号電
荷を水平転送路14h に飛越し転送する。この転送によっ
て、水平転送路14e が空き状態になっているので、垂直
転送を繰り返して低感度の信号電荷が水平転送路14e に
供給される。この段階で、各水平転送路14e, 14hには、
同一ラインの信号電荷をまとめている。
【0051】水平転送路14h は、高感度の信号に対して
信号量をカットするため、信号スライス部142 に飛越し
転送されている信号電荷を出力する。信号スライス部14
2 では、設定されている信号電荷量を上限とするように
電荷量の調整された出力を出力合成部144 に供給する。
出力合成部144 では、後の信号処理を容易にできるよう
にタイミング調整して水平転送路14e の出力と信号スラ
イス部142 の出力を合成し、出力が行われる。このよう
な手順で動作させても効果的な撮像を行わせることがで
きる。タイミングを正確に調整すると、画素単位の出力
も容易に行える。
【0052】次に固体撮像装置10の前述した実施例の第
2の変形例を図6を参照しながら説明する。図1と共通
する部分に同じ参照符号を付し、説明を省略する。この
変形例では、水平転送路14e だけを用い、水平転送路14
e に隣接して掃出しドレイン14i が配されている。出力
調整部14f は、出力アンプ146 だけが含まれる。この場
合も受光により得られた信号電荷を垂直転送路14c に転
送した後の手順を説明する。この変形例でも、高感度の
信号電荷が水平転送路14e に供給される。このとき、水
平転送路14e の駆動信号の電位を所定の電位に持ち上げ
る。この電位の持ち上げにより、水平転送路14e のポテ
ンシャル電位が上昇する。このポテンシャル電位の上昇
は、たとえば、水等の液体を入れる容器がかさ揚げされ
ることと同じ状態をつくることになる。したがって、容
器の容量が減少する。この容量に相当する信号電荷は、
ポテンシャル電位を上昇させた分と現信号電荷量とを加
えた値から水平転送路14e の飽和量を差し引いた分が正
の値のとき、この値が水平転送路14e から溢れる信号電
荷である。この信号電荷を掃出しドレイン14i に掃き出
させると、高感度の信号電荷を所定の量(あるいはレベ
ル)以内にすることができる。この後、水平転送路14e
のポテンシャル電位を通常の電位に戻す。
【0053】次に垂直転送路14c を駆動すると、低感度
の信号電荷が水平転送路14e に供給される。このように
して2ライン分の信号電荷が水平転送路14e に合成され
ることになる。低感度の受光素子SLでは、信号電荷が飽
和量を越えるように光電変換されないので、得られる信
号電荷量は飽和量より少ない。高感度の信号電荷も上限
の量でカットされているので、従来、生じていた飽和ム
ラ等の影響がなくなり、複数の画像をつなぎ合わせるよ
うな場合でもつなぎ合わせが目立たない良好な信号にで
きる。このようにして得られる出力は、出力調整部14f
の出力アンプ146 を介して外部に出力することができ
る。既述したようにこれまでの第1の実施例、その第1
および第2の変形例のように動作させることにより、一
画像を低感度の信号と高感度の信号で撮像して信号処理
を行うと、得られる画像のダイナミックレンジを広くす
ることができる。
【0054】このように構成した固体撮像装置10を、た
とえば、電子カメラ等のディジタル機器に適用すると、
固体撮像装置10は、各駆動モードに応じて信号電荷の読
出しを制御するように処理手順を切り替えるとよい。電
子カメラの場合、駆動モードには、撮像した画像を記録
する本撮像モード、撮像した画像を動画表示するムービ
ーモード、測光値に基づいて適正な露光値の算出および
その露光値に各部を制御するAE(Automatic Exposure)
モード、および同様に素行値に基づいて被写体との距離
を測光して各部を制御するAF(Automatic Focus )モー
ド等がある。本撮像モードで電子カメラは、後述するよ
うに、ハニカム配置で各受光素子14a から得られる信号
電荷により、画像の解像度および色バランスの良好な表
示を可能にする信号を記録媒体に記録する。
【0055】ムービーモードでは、所定の時間内に画像
表示を行う規則に応じて読み出した信号をディスプレイ
に表示する必要があるので、低感度の受光素子群あるい
は高感度の受光素子群のいずれか一方からの信号だけを
読み出して表示する。この場合、信号読み出しゲート14
d を個々に駆動するよう制御し、受光素子14a から読み
出している。このように動作させると、前述した撮像部
14の受光素子14a では読み出す信号の数が全画素を読み
出す場合に比べて半分の読み出しで済ませることができ
る。得られる画像の解像度は、本撮像モードの画像に比
べて低下するが、画像が動くので、解像度の低下の影響
は少なくて済む。
【0056】AEモードでは、低感度の受光素子群からの
信号を用いて測光する。測光により得られた情報に基づ
いて露光値の算出を行う。このとき、低感度の信号電荷
を用いていることから、測光値が飽和してしまう虞れを
回避できる。これにより、電子カメラは、被写界のシー
ン(場面)の測光を確実に1回だけで済ませることがで
き有効である。AFモードでは、低感度の信号電荷あるい
は高感度の信号電荷のいずれか一つを用いて行うことが
好ましい。また、AFモードで用いる情報は輝度情報が用
いられる。低感度と高感度の受光素子群の両方にそれぞ
れ同じ色フィルタの色分解フィルタ12が用いられている
とき、低感度の信号電荷を用い。しかも輝度情報を表す
色G からの信号だけで測光すると正確な測光を行うこと
ができる。
【0057】これまで、受光素子14a は、受光素子14a
のセルサイズおよびその受光素子自体が有する感度の差
により低感度と高感度の受光素子にしてきたが、受光素
子14a に感度の差を持たせる手法は前述した方法に限定
されるものでなく、この別な手法による固体撮像装置の
第2の実施例について説明する。ここでも共通する部分
に同じ参照符号を用いて説明を省略する。本実施例の固
体撮像装置10は、第1の実施例に用いた色分解フィルタ
12より入射光の側の透明部材上にマイクロレンズ16を配
設する。マイクロレンズ16は、たとえば、図示しない光
学系の一部として入射光の集光効率を高めるように受光
素子14a の幾何学的な中心に一致させるように配する。
そして、感度差が生じるように高感度の受光素子群の受
光素子SHにだけマイクロレンズ16を配する。マイクロレ
ンズ16は、集光面の曲率やマイクロレンズにおける入射
光の透過断面積の大きさで規定する。マイクロレンズ16
は、受光素子14a の形状をカバーするように形成するこ
とが好ましい。このようにマイクロレンズ16を有効に用
いると、受光素子14a 自体に持たせている高感度と低感
度の差をそれほど大きく設定しなくても光量の差で調整
できる。したがって、感度差を有する受光素子にしなく
てもよいことから、撮像部14の製造を簡素化することが
可能になる。
【0058】次に固体撮像装置10における第2の実施例
の第1の変形例を図8を参照しながら説明する。固体撮
像装置10は、マイクロレンズ16を高感度の受光素子群の
受光素子SHだけに対応して配設させるだけでなく、低感
度の受光素子群の受光素子SLにも対応させて配設させて
いる。ただし、受光素子SLに対応させて配設されたマイ
クロレンズ16s は、受光素子SHのものと比べてその形状
が異なっている。この形状の違いは、受光素子SLのマイ
クロレンズ16s の、たとえば、集光面の形状、すなわち
レンズの曲率を小さくしたり、入射光を透過させるレン
ズの断面積を小さくすること等で実現させている(図8
を参照)。このように構成しても受光素子14a に感度の
差をもたせることができる。
【0059】固体撮像装置10の感度の差を受光素子14a
の感度だけでなく、受光素子自体の大きさ、すなわちセ
ルサイズに違いをもたせてきた。受光素子SLと受光素子
SHのセルサイズの差は、入射光の透過断面積あるいは開
口面積の違いとも言える。第2の変形例の固体撮像装置
10は、入射光の光量の差を面積の違いでつくる。ここ
で、受光素子SHにするマイクロレンズ16b は、受光素子
SL用に配設されるマイクロレンズ16s より大きく形成す
る。受光素子14a に集光される光量の差が感度差に匹敵
するように各マイクロレンズ16b を形成して、図9に示
すように撮像部14は、2種類の受光素子を同じセルサイ
ズの単一の受光素子で代用する。この場合、受光素子14
a は、第1の実施例に比べて若干稠密性が低下するが、
撮像部14に複数種類の受光素子を形成することがなくな
るので、受光素子14a を形成する工程の複雑さを解消す
る。また、特にマイクロレンズ16s には、光量の差を具
現化するレンズの材質に減光機能を有するものを添加し
て形成するようにしてもよい。
【0060】第3の変形例も受光素子14a のセルサイズ
を第2の変形例と同様に同一に形成する。しかしなが
ら、固体撮像装置10は、撮像部14を遮光するとともに、
その一部に開口部14A が形成されている遮光部材14b で
受光素子14a が覆われている。受光素子14a が同一のサ
イズでありながら、受光素子SH, SLに対応するそれぞれ
の開口部14A の開口率を異ならせる(図10を参照)。図
10は破断線を示さないが、一つの受光素子SH, SLの中心
を通るように水平方向に切った要部断面である。受光素
子14a 、遮光部材14b 、垂直転送路14c 、信号読出しゲ
ート14d および導電性電極14j の周囲は、光を透過する
透明部材14k が充填された状態にある。図10(a) の受光
素子14b は、垂直転送路14c 、信号読出しゲート14d お
よび導電性電極14j が遮光部材14b により入射光が遮光
される中で受光素子(セル)の開口サイズ幅WLを示す矢
印ALの切欠きが形成されている。同様に、図10(b) の受
光素子14b にも、遮光部材14b に矢印ALが示す開口サイ
ズ幅WSを示すの切欠きが形成されている。図10(a), (b)
から明らかなように開口サイズ幅は、WL> WSの関係にし
ている。
【0061】この関係から、開口サイズ幅WLの受光素子
14a が受光素子SH、開口サイズ幅WSの受光素子14a が受
光素子SLにしている。換言すると、受光素子SHは、その
受光素子の開口率を受光素子SLより大きいことになる。
このように受光素子14a に到達する光量が異なることで
受光素子に感度に差をもたせている。このように同一サ
イズで受光素子が形成されている場合、受光素子に照射
される入射光を光電変換する時間、すなわち露光時間の
長さを制御することで生成される信号電荷量に差をつけ
ることもできる。この場合、得られた信号電荷を垂直転
送路14c に読み出す信号読出しゲート14b を受光素子群
毎に制御すると、各受光素子群の信号電荷を選択的に読
み出すことができる。
【0062】次に固体撮像装置における第3の実施例を
簡単に説明する。本実施例は、前述した第2の実施例と
同様に受光素子への入射光量を異ならせることで受光素
子に感度差をもたらす点では同じである。しかしなが
ら、第2の実施例では、入射光量の差をマイクロレンズ
16でつくったが、本実施例では色分解フィルタ12を用い
る。色分解フィルタ12は、受光素子の入射光の側に受光
素子のそれぞれに対応して色フィルタが配列されてい
る。受光素子14a において低感度の受光素子群に対応す
る色フィルタの膜厚を厚くしまたはこの受光素子群にだ
けND(Neutral Density )フィルタを加える。これによ
り、この色フィルタからの透過光が少なくなるので、受
光素子14a はすべて同じに形成されていても低感度を実
現させることができる。また、上述した特殊なフィルタ
処理を施していない色フィルタからの透過光で光電変換
する受光素子群は、高感度の受光素子群として扱えるよ
うになる。
【0063】色フィルタの中で色G は、輝度情報に対応
している。色G は、他の色R, Bに比べて同一光量を入射
させた場合、透過光量が多いので光電変換率の良好なこ
とが知られている。また、最も使用頻度の高い入射光の
色温度(たとえば、5000K 〜6000K )の特性も加味し
て、色G の受光素子は低感度の受光素子群に色R, Bの受
光素子は高感度の受光素子群にして扱うとよい。このと
き、色バランスのよい撮像信号が撮像部14で得られるこ
とになる。ここで、色G の受光素子から信号電荷を得る
ことができるので、前述した、たとえば、この固体撮像
装置を適用した電子カメラのAEモードやAFモードで的確
な輝度情報の測光を行われる。
【0064】以上のように構成することにより、異なる
感度の受光素子で得られた信号を合成して用いると、た
とえば、高感度の受光素子の飽和する明るさより10倍の
明るさまでの信号を得ることができるようになる。した
がって、各受光素子から得られた信号を合成すると、ダ
イナミックレンジを広くすることができる。受光素子の
配置にハニカム配置を受光素子の形状も考慮することに
より、水平/垂直方向の開口ピッチも同じにしているの
で、受光素子の配置の等方性を得ることができる。ま
た、信号の合成において、特に高感度の受光素子に現れ
る飽和ムラの影響も改善させることができる。感度の差
は、受光素子自体だけでなく、マイクロレンズや色分解
フィルタ等の透過光量に違いをもたらすことによっても
実現させることができる。これにより、受光素子の形成
を簡素化させて容易にすることができる。
【0065】なお、前述した固体撮像装置の実施例は、
それぞれの要素に注目して説明したが、これらに限定さ
れるものでなく、これらの実施例を組み合わせて固体撮
像装置を構成してもよい。
【0066】
【発明の効果】このように本発明の固体撮像装置によれ
ば、入射光が色分解手段を介して色分解された透過光を
各受光素子の幾何学的な形状の中心が互いに行方向およ
び/または列方向に受光素子の間隔を示すピッチの半分
ずらした位置に照射させて複数の受光素子で光電変換
し、行方向に隣接する受光素子間に列方向に2列分の第
1および第2の列方向転送路を配設して、これらの列方
向転送路と各受光素子の間の信号読出し手段を介して受
光素子から列方向転送路に得られた信号電荷を読み出
し、さらに、これら列方向転送路からの出力を行方向転
送路を介して行方向に転送するものであり、第1の受光
素子群と第2の受光素子群という異なる感度で得られた
信号電荷を信号合成手段で合成し、出力することによ
り、第1の受光素子群の出力上限値と第2の受光素子群
の出力下限値の範囲を用いて得られる信号のダイナミッ
クレンジを広くすることができる。特に信号合成手段で
第1の受光素子群からの出力の上限(飽和レベル)を調
整し、信号電荷量を均一になるようにして偽信号の発生
や飽和ムラ等を抑制することにより色の画質を向上させ
ることができる。また、この配設により、従来のハニカ
ム配置よりも受光素子の面積あたりの利用効率を高く等
方性を持たせることができる。さらに、2列分の列方向
転送路の一つは、行方向に隣接する受光素子に対して斜
め方向に配された第1の受光素子または第2の受光素子
からの出力を転送するように形成されているので、受光
素子を迂回するように列方向に配された受光素子に対し
て対称な蛇行が形成され無駄なスペースのない効率的な
配設が可能にして、装置の小型化、および画質の向上を
図ることができる。
【0067】また、本発明の信号読出し方法によれば、
異なる感度の一方を高感度とし、他方を低感度として受
光し、得られた高感度と低感度の信号電荷をそれぞれ独
立に列方向転送路に読み出して順次列方向に転送して行
方向転送路に転送し、行方向転送路に転送された信号電
荷をそのままライン単位または受光素子に対応した画素
単位で行方向に転送する。この転送時に伴い信号電荷の
出力先が異なる感度に応じて選択する。この選択の内で
一方の高感度に選択された出力が所定のレベル以上にあ
る場合にこの出力を所定のレベルでスライスした後、こ
のレベルスライス工程の出力と出力先選択工程で他方の
低感度に選択された出力とを合成して出力することによ
り、偽信号の発生や飽和ムラ等を抑制し高画質の信号の
提供を可能にする。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明に係る固体撮像装置の第1の実施例にお
いて、固体撮像装置の撮像部を入射光の側から見た平面
図とその撮像部の概略的な信号処理のブロック図であ
る。
【図2】図1の受光素子に対する、(a) 従来のハニカム
配置の受光素子の配置、(b) 従来のハニカム配置の内、
受光素子の面積を小さく異ならせた受光素子の配置、
(c) (b) の受光素子の配置を稠密に配した際の配置を模
式的に示す図である。
【図3】図1に用いた、低感度の受光素子と高感度の受
光素子において明るさに対して生成される信号電荷量の
関係を説明するグラフである。
【図4】図1に適用した信号読出しにより得られる低感
度と高感度の画像を示す模式図である。
【図5】図1の固体撮像装置において第1の実施例の第
1の変形例を説明する撮像部の平面図およびその撮像部
の概略的な信号処理のブロック図である。
【図6】図1の固体撮像装置において第1の実施例の第
2の変形例を説明する撮像部の平面図およびその撮像部
の概略的な信号処理のブロック図である。
【図7】本発明に係る固体撮像装置の第2の実施例にお
いて、固体撮像装置の撮像部を入射光の側から見た平面
図とその撮像部の概略的な信号処理のブロック図であ
る。
【図8】図1の固体撮像装置において第2の実施例の第
1の変形例を説明する撮像部の平面図およびその撮像部
の概略的な信号処理のブロック図である。
【図9】図1の固体撮像装置において第2の実施例の第
2の変形例を説明する撮像部の平面図である。
【図10】図1の固体撮像装置において第2の実施例の
第3の変形例を説明する撮像部での、(a) 高感度の受光
素子、(b) 低感度の受光素子を水平方向に切断した際の
断面図である。
【符号の説明】
10 固体撮像装置 12 色分解フィルタ 14 撮像部 16 マイクロレンズ 14a 受光素子 14b 遮光部材 14c 垂直転送路 14d 信号読出しゲート 14e, 14h 水平転送路 14f 出力調整部 14g 飛越しゲート 14i 透明部材 14j 導電性電極
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き Fターム(参考) 5C024 AA01 BA01 CA11 CA15 CA17 EA04 EA08 FA12 GA01 GA48 GA51 HA04 JA21 5C065 AA03 BB13 BB48 CC07 CC08 DD07 EE05 EE06 EE10 EE11 5C072 AA01 BA11 DA09 DA10 DA20 EA08 FA05 FA08 FB15 FB17 FB19 QA06 XA10

Claims (21)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 被写界からの入射光を色分解する色分解
    手段と、 行および列方向に配列され、該色分解手段で色分解され
    た入射光を受光して、該入射光に応じた信号電荷を生成
    する複数の受光素子とを含み、 該複数の受光素子は、第1の所定の感度を有する第1の
    受光素子群と、 前記第1の所定の値より低い第2の所定の値の感度を有
    する第2の受光素子群とからなり、 前記第1の受光素子群に含まれる受光素子のそれぞれ
    は、前記第2の受光素子群に含まれる受光素子のそれぞ
    れと互いに隣接し、前記第1の受光素子群に含まれる受
    光素子は、前記第2の受光素子群に含まれる受光素子に
    対して、各受光素子の幾何学的な形状の中心が互いに行
    方向および/または列方向に該受光素子のピッチの半分
    に相当する距離だけずれて配列され、さらに、 前記第1の受光素子群に含まれる受光素子のうち行方向
    に隣接するものの間に該受光素子からの信号電荷を列方
    向に転送する第1の列方向転送路と、 前記第2の受光素子群に含まれる受光素子のうち行方向
    に隣接するものの間に該受光素子からの信号電荷を列方
    向に転送する第2の列方向転送路と、 前記第1および前記第2の列方向転送路に前記信号電荷
    を読み出す信号読出し手段と、 前記第1および前記第2の列方向転送路からの出力を行
    方向に転送する行方向転送路と、 前記第1の受光素子群から得られた信号の飽和レベルを
    調整して前記第2の受光素子群から得られた信号を合成
    する信号合成手段とを含むことを特徴とする固体撮像装
    置。
  2. 【請求項2】 請求項1に記載の装置において、前記第
    2の受光素子群の受光素子の感応領域は、少なくとも、
    前記第1の受光素子群の受光素子の感応領域よりも小さ
    いことを特徴とする固体撮像装置。
  3. 【請求項3】 請求項1に記載の装置において、前記第
    2の受光素子群の受光素子は、各受光素子に対して前記
    透過光の側に配して前記透過光を前記受光素子に導く導
    光部材の開口面積を前記第1の受光素子群での開口面積
    よりも小さくすることを特徴とする固体撮像装置。
  4. 【請求項4】 請求項1に記載の装置において、前記第
    1の受光素子群の受光素子上だけに前記入射光の側に前
    記入射光を集光する集光手段を配することを特徴とする
    固体撮像装置。
  5. 【請求項5】 請求項1に記載の装置において、前記第
    2の受光素子群の受光素子に対応して設ける集光手段の
    形状を前記第1の受光素子群の受光素子における集光手
    段の形状と異ならせて前記第2の受光素子群の受光素子
    への前記入射光の集光率を低下させることを特徴とする
    固体撮像装置。
  6. 【請求項6】 請求項5に記載の装置において、前記集
    光手段の形状は、前記集光手段の集光面の曲率または前
    記集光手段を透過する入射断面積の大きさで規定するこ
    とを特徴とする固体撮像装置。
  7. 【請求項7】 請求項1に記載の装置において、前記色
    分解手段は、前記第2の受光素子群の各受光素子の位置
    に対応して前記透過光を減少させる減光機能を含むこと
    を特徴とする固体撮像装置。
  8. 【請求項8】 請求項7に記載の装置において、前記色
    分解手段は、前記減光機能を有する部分の色ィルタに対
    して該色フィルタの膜厚の増加または遮光する濃度の濃
    いフィルタにすることを特徴とする固体撮像装置。
  9. 【請求項9】 請求項1に記載の装置において、前記第
    1および前記第2の受光素子群に対する前記色分解手段
    の色フィルタ配列は、ともに同じ配列にすることを特徴
    とする固体撮像装置。
  10. 【請求項10】 請求項1に記載の装置において、前記
    第1の受光素子群の前記色分解手段の色フィルタ配列
    は、原色フィルタをそれぞれ配し、前記第2の受光素子
    群の前記色分解手段のフィルタ配列は、輝度情報のみを
    得る原色フィルタとすることを特徴とする固体撮像装
    置。
  11. 【請求項11】 請求項1に記載の装置において、前記
    行方向転送路は、前記第1の受光素子群と前記第2の受
    光素子群からの出力をそれぞれ同時に出力する第1の転
    送路と第2の転送路を備え、 前記第1の転送路と前記第2の転送路の間に、前記第1
    の転送路から前記第2の転送路に信号電荷を飛び越させ
    る信号飛越し手段を含むことを特徴とする固体撮像装
    置。
  12. 【請求項12】 請求項11に記載の装置において、前
    記信号合成手段は、前記第1および前記第2の転送路か
    らの出力をそれぞれ増幅する第1および第2の増幅手段
    と、 該第1および該第2の増幅手段からの出力をライン単位
    で加算するライン合成手段とを含み、 前記第1の増幅手段は、所定の信号レベルでスライスす
    るレベルクリップ手段を含むことを特徴とする固体撮像
    装置。
  13. 【請求項13】 請求項1に記載の装置において、前記
    行方向転送路は、1つとし、 前記信号合成手段は、前記第1の受光素子群と前記第2
    の受光素子群から得られた信号を画素単位で出力する選
    択手段と、 該選択手段の出力の内、前記第1の受光素子群から得ら
    れた信号を所定の信号レベルでスライスするレベルクリ
    ップ手段と、 該レベルクリップ手段からの出力と前記選択手段の出力
    の内、前記第2の受光素子群から得られた信号とを加算
    する画素合成手段とを含むことを特徴とする固体撮像装
    置。
  14. 【請求項14】 請求項1に記載の装置において、前記
    行方向転送路は、1つで、かつ該行方向転送路に所定の
    信号レベルが設定されているとき、 さらに、該装置は、 前記行方向転送路に隣接して配される、所定の信号レベ
    ル以上にある行方向転送路の信号を掃き出す掃出し手段
    を含み、 前記行方向転送路は、該行方向転送路から前記掃出し手
    段への信号の排出を該行方向転送路に供給される駆動信
    号の電位に応じて行うことを特徴とする固体撮像装置。
  15. 【請求項15】 請求項1に記載の装置において、前記
    第2の受光素子群の受光素子は、前記第1の受光素子群
    の受光素子が蓄積によって達する飽和レベルよりも信号
    電荷の蓄積量が少ないことを特徴とする固体撮像装置。
  16. 【請求項16】 請求項1に記載の装置において、前記
    第1の列方向転送路は、前記信号電荷を列方向に転送す
    る転送路の幅を前記第2の列方向転送路の幅よりも広く
    することを特徴とする固体撮像装置。
  17. 【請求項17】 入射光を異なる感度の受光素子と、信
    号電荷を列方向に転送する列方向転送路と、前記信号電
    荷を行方向に転送する行方向転送路とを用いて、2次元
    に各受光素子の幾何学的な形状の中心が互いに行方向お
    よび/または列方向に受光素子の間隔を示すピッチの半
    分ずらした位置に配列させた各受光素子での光電変換に
    より得られた信号電荷を前記列方向転送路、前記行方向
    転送路を介して読み出す信号読出し方法であって、 前記異なる感度の一方を他方の感度より高くし、それぞ
    れの高感度と低感度で受光する受光工程と、 前記受光工程で得られた高感度と低感度の信号電荷をそ
    れぞれ独立に前記列方向転送路に読み出す読出し転送工
    程と、 該読出し転送工程により転送された信号電荷を順次列方
    向に転送して前記行方向転送路に転送する列転送工程
    と、 該列転送工程から前記行方向転送路に転送された信号電
    荷をそのままライン単位または前記受光素子に対応した
    画素単位で行方向に転送する行転送工程と、 該行転送工程に伴う信号電荷の出力先を前記異なる感度
    に応じて選択する出力先選択工程と、 該出力先選択工程で前記一方の高感度に選択された出力
    が所定のレベル以上にある場合に該出力を前記所定のレ
    ベルでスライスするレベルスライス工程と、 該レベルスライス工程の出力と前記出力先選択工程で前
    記他方の低感度に選択された出力とを合成する出力合成
    工程とを含むことを特徴とする信号読出し方法。
  18. 【請求項18】 請求項17に記載の方法において、前
    記受光工程は、前記受光素子の複数の感度に応じて露光
    時間が制御されることを特徴とする信号読出し方法。
  19. 【請求項19】 請求項17に記載の方法において、前
    記行転送工程は、前記列転送工程により一方の行方向転
    送路に信号電荷を供給する第1の工程と、 該第1の工程により供給された信号電荷を他方の行方向
    転送路に移す飛越し工程と、 該飛越し工程の後に、前記列転送工程により一方の行方
    向転送路に新たな信号電荷を供給する第2の工程と、 前記飛越し工程および前記第2の工程とで供給された信
    号電荷を同時に出力する同時出力工程とを含むことを特
    徴とする信号読出し方法。
  20. 【請求項20】 請求項17に記載の方法において、前
    記レベルスライス工程は、前記一方の高感度の信号電荷
    を前記行方向転送路に供給した後、該行方向転送路での
    信号電荷量を通常より少ない所定の量に規定する駆動信
    号の制御を行う第1の駆動工程と、 該第1の駆動工程の後、前記行方向転送路での信号電荷
    量を通常の量に規定する駆動信号の制御を行う第2の駆
    動工程とを含み、 前記出力合成工程は、前記第1および前記第2の駆動工
    程に従ってそれぞれ供給される信号電荷を各位置で保持
    し、前記行方向転送路から出力することを特徴とする信
    号読出し方法。
  21. 【請求項21】 請求項17に記載の方法において、前
    記出力合成工程からの出力が前記列方向に間引かれる際
    に、前記高感度と前記低感度の信号電荷を一対として間
    引くことを特徴とする信号読出し方法。
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