JP2005175893A - Two-plate type color solid-state image pickup device and digital camera - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は2板式カラー固体撮像装置及びデジタルカメラに係り、特に、色再現性に優れた小型で低コストの2板式カラー固体撮像装置及びデジタルカメラに関する。 The present invention relates to a two-plate color solid-state imaging device and a digital camera, and more particularly to a small and low-cost two-plate color solid-state imaging device and a digital camera excellent in color reproducibility.
固体撮像素子を用いたカラー固体撮像装置として、従来から、3板式のものと、2板式のものと、単板式のものが知られている。 Conventionally, as a color solid-state imaging device using a solid-state imaging device, a three-plate type, a two-plate type, and a single-plate type are known.
3板式のカラー固体撮像装置は、例えば下記特許文献1に記載されている様に、半導体基板表面に多数の光電変換素子がアレイ状に形成された固体撮像素子を3個用い、被写体の光学像のうち赤色の光学像を第1の固体撮像素子で受光し、緑色の光学像を第2の固体撮像素子で受光し、青色の光学像を第3の固体撮像素子で受光する構成になっている。そのため、被写体からの入射光を赤色(R),緑色(G),青色(B)の各色の光学像に分離する色分解プリズムが用いられる。
The three-plate color solid-state imaging device uses three solid-state imaging elements in which a large number of photoelectric conversion elements are formed in an array on the surface of a semiconductor substrate, as described in
図21は、色分解プリズムの一例を示す構成図である。図示する色分解プリズム1は、第1プリズム部材1a,第2プリズム部材1b,第3プリズム部材1cと、部材1a,1b間に設けられた青色反射用ダイクロイック膜2と、部材1b,1c間に設けられた赤色反射用ダイクロイック膜3とからなる。
FIG. 21 is a configuration diagram illustrating an example of a color separation prism. The illustrated
そして、第1プリズム部材1aに入射したR,G,Bの各色の光学像のうち青色(B)の光学像がダイクロイック膜2で反射して第3の固体撮像素子4で受光され、ダイクロイック膜2を透過した赤色(R),緑色(G)の各色光学像のうち赤色(R)の光学像がダイクロイック膜3で反射して第1の固体撮像素子5で受光され、ダイクロイック膜3を透過して第3プリズム部材1c中を直進した緑色(G)の光学像が第2の固体撮像素子4で受光される。
Of the R, G, and B optical images incident on the first prism member 1a, the blue (B) optical image is reflected by the
この3板式の固体撮像装置は、色分解性能が高く入射光を無駄にしないため、撮像画像の色再現性が優れ、感度が高いという利点を有する。しかし、3個の固体撮像素子4,5,6と複雑な色分解プリズム1が必要であり、しかも、プリズム1の前段に配置される図示しない集光レンズで結像したR,G,Bの各色光線の各固体撮像素子4,5,6に達する光路長を等しくする必要のため第3プリズム部材1cを省略できず、コストが嵩むと共に装置が大型化してしまうという問題がある。
This three-plate type solid-state image pickup device has the advantages that the color separation performance is high and incident light is not wasted, so that the color reproducibility of the picked-up image is excellent and the sensitivity is high. However, three solid-
2板式のカラー固体撮像装置は、例えば下記特許文献2,3に記載されているように、2つの固体撮像素子と、図21に示すプリズム1よりは簡単な構造の色分解プリズムを用いて構成される。図22は2板式カラー固体撮像装置に用いられるプリズムの一例を示す構成図である。この色分解プリズム7は、第1プリズム部材7a,第2プリズム部材7bと、両者間に設けられた緑色(G)反射用ダイクロイック膜8とからなり、第1プリズム部材7aに入射したR,G,Bの各色光学像のうち緑色(G)の光学像がダイクロイック膜8で反射して第1の固体撮像素子9で受光され、ダイクロイック膜8を透過した赤色(R),青色(B)の各光学像が、第2の固体撮像素子10で受光される。
The two-plate type color solid-state imaging device is configured using two solid-state imaging devices and a color separation prism having a simpler structure than the
第2の固体撮像素子10は、赤色(R)の光学像と青色(B)の光学像とを別々に受光するために、素子10の前面にカラーフィルタ11が設けられる。このカラーフィル11には、赤色(R)カラーフィルタと青色(B)カラーフィルタが交互にストライプ状に設けられ、赤色カラーフィルタの背面側に配置された光電変換素子が赤色の受光量を検出し、青色カラーフィルタの背面側に配置された光電変換素子が青色の受光量を検出する様になっている。
The second solid-
この2板式のカラー固体撮像装置は、3板式のカラー固体撮像装置に比べて固体撮像素子数が2個で済み、プリズム7を安価に構成できるため、コスト低減を図ることが可能となる。しかし、赤色(R)と青色(B)の各色入射光線は直進して固体撮像素子10に受光される構成のため、装置の小型化のためには第2プリズム部材7bの厚さを更に低減する必要がある。
This two-plate type color solid-state imaging device requires only two solid-state imaging elements as compared with the three-plate type color solid-state imaging device, and the
単板式のカラー固体撮像装置は、色分解プリズムを用いずにR,G,Bの各色光学像を1個の固体撮像素子で受光する構成となっている。このため、固体撮像素子の前面に、赤色(R)カラーフィルタと緑色(G)カラーフィルタと青色(B)カラーフィルタが所定規則に従ってモザイク状に配列されたカラーフィルタ11を形成し、半導体基板表面に形成された多数の光電変換素子の各々が、R,G,Bのうちの一色の光学像を受光する構成になっている。このカラーフィルタの一例を図23に示す。このカラーフィルタの配列はベイヤー配列といわれ、下記特許文献4に記載されている。
The single-plate color solid-state imaging device is configured to receive R, G, and B color optical images with one solid-state imaging device without using a color separation prism. For this reason, a
単板式のカラー固体撮像装置は、固体撮像素子が1個で済み、色分解プリズムが不要なため、コストが安く、装置が小型にできるという利点がある。しかし、赤色(R)カラーフィルタに入射した緑色(G)と青色(B)の光は光電変換されることはなく、緑色(G)カラーフィルタに入射した赤色(R)と青色(B)の光も光電変換されることがなく、同様に、青色(B)カラーフィルタに入射した赤色(R)と緑色(G)の光も光電変換されることがない。従って、入射光のうちの略1/3しか光電変換されず、感度が悪いという問題がある。 The single-plate color solid-state imaging device has the advantage that the cost is low and the device can be downsized because only one solid-state imaging device is required and no color separation prism is required. However, the green (G) and blue (B) light incident on the red (R) color filter is not photoelectrically converted, and the red (R) and blue (B) light incident on the green (G) color filter. Similarly, light is not photoelectrically converted, and similarly, red (R) and green (G) light incident on the blue (B) color filter is not photoelectrically converted. Therefore, only about 1/3 of the incident light is photoelectrically converted, and there is a problem that sensitivity is poor.
上述したように、3板式,2板式,単板式のカラー固体撮像装置には、夫々利点と欠点が存在するため、デジタルカメラに搭載するカラー固体撮像装置をいずれの方式のものにするかは、製造コストと性能及びデジタルカメラの大きさによって決めることになる。デジタルスチルカメラの様な小型のデジタルカメラでは、固体撮像装置部分を小型にできる単板式のものが多く採用される。 As described above, there are advantages and disadvantages in the three-plate type, two-plate type, and single-plate type color solid-state imaging device, so which type of color solid-state imaging device to be mounted on the digital camera should be determined. It depends on the manufacturing cost and performance and the size of the digital camera. In a small digital camera such as a digital still camera, a single plate type camera that can reduce the size of the solid-state imaging device is often used.
しかし、近年の様に画素の微細化が進展した単板式のカラー固体撮像素子は、微細化の製造技術が限界にまで達してきているため、製造歩留まりが低下し、カラー固体撮像素子の製造コストが嵩んでしまうという問題が発生している。それは、次の理由による。 However, single-plate color solid-state image sensors with advanced pixel miniaturization as in recent years have reached the limits of the manufacturing technology for miniaturization, resulting in a decrease in manufacturing yield and manufacturing costs of color solid-state image sensors. Has become a problem. The reason is as follows.
単板式カラー固体撮像素子の半導体基板表面に形成された受光部の上部には、カラーフィルタや平坦化膜、マイクロレンズ等を積層する必要があり、受光部とマイクロレンズ(トップレンズ)との間の距離(各画素の高さ)を短くすることはできない。その一方で、多画素化が進展した固体撮像素子では、各画素の開口部の寸法が入射光の波長オーダにまで小さくなってきており、このため、各画素におけるトップレンズから光電変換素子までの入射光路は細長い通路となっている。しかも、固体撮像素子の中央部に対して周辺部における入射光の入射角は斜めになるため、周辺部における光量不足すなわち色シェーディングを回避するために、周辺部の画素においては、入射角に合わせて各入射光路が斜めとなるように、カラーフィルタ,平坦化膜,マイクロレンズ等を積層しなくてはならない。 A color filter, flattening film, microlens, etc. must be stacked on the upper part of the light receiving part formed on the surface of the semiconductor substrate of the single-plate color solid-state image sensor. Between the light receiving part and the microlens (top lens) The distance (the height of each pixel) cannot be shortened. On the other hand, in the solid-state imaging device in which the increase in the number of pixels has progressed, the size of the opening of each pixel has been reduced to the wavelength order of incident light. For this reason, from the top lens to the photoelectric conversion element in each pixel. The incident optical path is an elongated path. In addition, since the incident angle of incident light at the peripheral portion is oblique with respect to the central portion of the solid-state imaging device, in order to avoid insufficient light quantity, that is, color shading in the peripheral portion, the peripheral pixels are matched to the incident angle. Therefore, a color filter, a flattening film, a microlens, and the like must be laminated so that each incident light path is inclined.
更に、画素の微細化のため、カラーフィルタの精密な積層も困難になってきている。デジタルカメラのユーザは、忠実な色再現性を望むようになってきているため、例えば下記特許文献5,6に記載されている様に、人間の視細胞が負の感度として感じる波長460〜530nm付近の光の受光量を検出するために、赤色(R),緑色(G),青色(B)の3色のカラーフィルタの他に、負の感度となる波長領域の受光量を検出する第4のカラーフィルタも積層しなければならない。すなわち、単板式固体撮像素子においてこの様な4色のカラーフィルタを素子上に配列すると各画素で有効に光電変換されない入射光成分が更に増加するために、色再現性は向上しても感度と解像度を犠牲にするという問題が生じる。しかも、カラーフィルタ層に使用する顔料粒形の大きさが、微細化の進んだ画素では相対的に大きくなり、顔料粒形の影が各画素の受光量に影響を与えてしまうという問題がある。一方、染料系カラーフィルタを使用する場合は、十分な分光透過率を確保しようとすると、カラーフィルタの膜厚を顔料系カラーフィルタに比べ厚くする必要があり、画素の微細化を困難にしているという問題がある。以上の理由により、単板式のカラー固体撮像素子の製造歩留まりは低くなり、デジタルカメラの製造コストを押し上げる一因になってきている。
Furthermore, precise layering of color filters has become difficult due to pixel miniaturization. Since users of digital cameras have come to desire faithful color reproducibility, for example, as described in
小型のデジタルカメラに搭載するカラー固体撮像素子は、これを単板式で実現するには技術的,コスト的に限界にきている。しかし、カラー固体撮像装置を3板式で実現すると、高価で複雑な色分解プリズムが必要なため、装置が大型化し製造コストも嵩んでしまうという問題がある。 A color solid-state image sensor mounted on a small digital camera has reached a limit in terms of technology and cost to realize this in a single plate type. However, when the color solid-state imaging device is realized by a three-plate system, an expensive and complicated color separation prism is required, which causes a problem that the device becomes large and the manufacturing cost increases.
そこで、2板式のカラー固体撮像装置により、忠実な色再現が可能でしかも小型,低コストのデジタルカメラを構成するのが一番現実的となるが、2つの固体撮像素子に積層するカラーフィルタと色分解プリズムとの組み合わせを最適なものにする必要がある。 Therefore, it is most realistic to construct a compact, low-cost digital camera capable of faithful color reproduction with a two-plate color solid-state imaging device. It is necessary to optimize the combination with the color separation prism.
本発明の目的は、忠実な色再現が可能で小型,低コストの2板式カラー固体撮像装置とこれを搭載したデジタルカメラを提供することにある。 An object of the present invention is to provide a small and low-cost two-plate color solid-state imaging device capable of faithful color reproduction and a digital camera equipped with the same.
本発明の2板式カラー固体撮像装置は、被写体からの入射光を第1色及第2色を含む光と第3色及び第4色を含む光とに分離する色分解プリズムと、該色分解プリズムによって分離された前記第1色及び第2色の入射光を受光する第1固体撮像素子と、前記色分解プリズムによって分離された前記第3色及び第4色の入射光を受光する第2固体撮像素子とを備える2板式カラー固体撮像装置において、前記第1固体撮像素子にアレイ状に設けられた複数の受光部の各々には前記第1色または前記第2色を透過するカラーフィルタが形成され、前記第2固体撮像素子にアレイ状に設けられた複数の受光部の各々には前記第3色または前記第4色を透過するカラーフィルタが形成されていることを特徴とする。 The two-plate color solid-state imaging device of the present invention includes a color separation prism that separates incident light from a subject into light including a first color and a second color and light including a third color and a fourth color, and the color separation A first solid-state imaging device that receives incident light of the first color and the second color separated by the prism, and a second that receives incident light of the third color and the fourth color separated by the color separation prism. In a two-plate color solid-state imaging device including a solid-state imaging device, a color filter that transmits the first color or the second color is provided in each of a plurality of light receiving units provided in an array on the first solid-state imaging device. A color filter that transmits the third color or the fourth color is formed in each of the plurality of light receiving portions that are formed and provided in an array on the second solid-state imaging device.
この構成により、同一解像度の単板式固体撮像素子に比較して1画素(受光部)の大きさを大きくできるため、また、夫々の固体撮像素子のカラーフィルタも2色で済むため、固体撮像素子の製造歩留まりを高くでき、低コスト化を図ることができる。また、第1色〜第4色の4色によって画像再生を行うため、忠実な色再現が可能となる。更に、3板式で用いる色分解プリズムより小型の色分解プリズムを使用するため、装置の大型化を回避することができる。 With this configuration, the size of one pixel (light receiving unit) can be increased as compared with a single-plate solid-state image pickup device having the same resolution, and the color filters of each solid-state image pickup device need only have two colors. The production yield can be increased, and the cost can be reduced. In addition, since the image reproduction is performed with the first to fourth colors, faithful color reproduction is possible. In addition, since a color separation prism that is smaller than the color separation prism used in the three-plate type is used, an increase in the size of the apparatus can be avoided.
本発明の2板式カラー固体撮像装置は、前記第1固体撮像素子の各受光部に前記第1色を透過するカラーフィルタと前記第2色を透過するカラーフィルタとが上下左右に交互に配置され、および/または、前記第2固体撮像素子の各受光部に前記第3色を透過するカラーフィルタと前記第4色を透過するカラーフィルタとが上下左右に交互に配置されることを特徴とする。 In the two-plate color solid-state imaging device of the present invention, the color filter that transmits the first color and the color filter that transmits the second color are alternately arranged in the upper, lower, left, and right directions in each light receiving portion of the first solid-state imaging device. And / or a color filter that transmits the third color and a color filter that transmits the fourth color are alternately arranged vertically and horizontally in each light receiving portion of the second solid-state imaging device. .
カラーフィルタをどの様に配置するかは任意であるが、上記配置とすることで、色再現性が更に向上する。 Although the arrangement of the color filters is arbitrary, the color reproducibility is further improved by the above arrangement.
本発明の2板式カラー固体撮像装置は、前記第1固体撮像素子で受光する前記第1色及び第2色の光が夫々3原色のうちの青色及び赤色の光であり、前記第2固体撮像素子で受光する前記第3色及び第4色の光が前記青色と前記赤色の中間波長域の光であることを特徴とする。 In the two-plate color solid-state imaging device of the present invention, the first color and second color light received by the first solid-state imaging device are blue and red light of three primary colors, respectively, and the second solid-state imaging The light of the third color and the fourth color received by the element is light in an intermediate wavelength range of the blue and the red.
赤色(R)成分を透過するカラーフィルタであれば原色系カラーフィルタRであっても補色系カラーフィルタYe(イエロー)でもよく、また、青色(B)成分を透過するカラーフィルタであれば原色系カラーフィルタBであっても補色系カラーフィルタCy(シアン)でもよい。 A primary color filter R or a complementary color filter Ye (yellow) may be used as long as it is a color filter that transmits a red (R) component, and a primary color system is used if it is a color filter that transmits a blue (B) component. Color filter B or complementary color filter Cy (cyan) may be used.
本発明の2板式カラー固体撮像装置は、前記第2固体撮像素子から出力される前記第3色の検出信号と前記第4色の検出信号との差から波長460nm〜530nmの入射光量を検出するように前記第3色,第4色のカラーフィルタが形成されていることを特徴とし、また、前記第2固体撮像素子に形成される前記第3色のカラーフィルタが波長460nm〜530nmの光を透過するように形成されていることを特徴とする。 The two-plate color solid-state imaging device of the present invention detects the amount of incident light having a wavelength of 460 nm to 530 nm from the difference between the third color detection signal and the fourth color detection signal output from the second solid-state imaging device. The color filters of the third color and the fourth color are formed as described above, and the color filter of the third color formed on the second solid-state image sensor emits light having a wavelength of 460 nm to 530 nm. It is formed so as to be transparent.
この構成により、人間の視細胞の赤に対する負感度部分を容易に検出可能となる。 With this configuration, it is possible to easily detect the negative sensitivity portion for red in human visual cells.
本発明の2板式カラー固体撮像装置は、前記第2固体撮像素子に形成される前記第3色のカラーフィルタと前記第4色のカラーフィルタが前記緑色の波長域を2分割するように形成されていることを特徴とする。 The two-plate color solid-state imaging device of the present invention is formed such that the third color filter and the fourth color filter formed in the second solid-state imaging device divide the green wavelength range into two. It is characterized by.
この構成により、画像の緑色の再現を忠実に行うことが可能となる。 With this configuration, it is possible to faithfully reproduce the green color of the image.
本発明の2板式カラー固体撮像装置は、前記第1固体撮像素子の各受光部に対して、前記第2固体撮像素子の各受光部が1/2ピッチづつずれるように配置されることを特徴とする。 The two-plate color solid-state imaging device according to the present invention is characterized in that each light-receiving portion of the second solid-state imaging device is arranged so as to be shifted by 1/2 pitch with respect to each light-receiving portion of the first solid-state imaging device. And
この様に、2つの固体撮像素子を画素ズラシ配置することで、画像の解像度を高めることが可能となる。 In this way, by arranging the two solid-state imaging elements in a pixel shift arrangement, it is possible to increase the resolution of the image.
本発明の2板式カラー固体撮像装置は、前記第1固体撮像素子の各受光部が、前記第2固体撮像素子の各受光部と同一サンプリングポイントに配置されることを特徴とする。 The two-plate color solid-state imaging device according to the present invention is characterized in that each light-receiving unit of the first solid-state imaging device is arranged at the same sampling point as each light-receiving unit of the second solid-state imaging device.
この構成により、偽色や色モアレを低減することができる。 With this configuration, false colors and color moire can be reduced.
本発明の2板式カラー固体撮像装置は、前記第1固体撮像素子及び前記第2固体撮像素子が夫々CCDで構成されることを特徴とし、また、前記第1固体撮像素子及び前記第2固体撮像素子が夫々MOS型イメージセンサで構成されることを特徴とする。更に、前記第1固体撮像素子及び前記第2固体撮像素子の各受光部の配列がハニカム配列であることを特徴とする。 The two-plate color solid-state imaging device of the present invention is characterized in that the first solid-state imaging device and the second solid-state imaging device are each composed of a CCD, and the first solid-state imaging device and the second solid-state imaging device Each element is formed of a MOS image sensor. Furthermore, the arrangement of the light receiving portions of the first solid-state imaging device and the second solid-state imaging device is a honeycomb arrangement.
本発明の2板式カラー固体撮像装置は、CCDでもMOS型でも実現可能であり、また、各画素(受光部)が正方格子配列でもハニカム画素配列でも実現できる。 The two-plate color solid-state imaging device of the present invention can be realized by a CCD or a MOS type, and each pixel (light receiving portion) can be realized by a square lattice arrangement or a honeycomb pixel arrangement.
本発明の2板式カラー固体撮像装置で用いる色分解プリズムは、被写体からの入射光を第1色及第2色を含む光と第3色及び第4色を含む光とに分離し、分離された前記第1色及び第2色の入射光を第1固体撮像素子に入射させ、分離された前記第3色及び第4色の入射光を第2固体撮像素子に入射させる2板式カラー固体撮像装置の色分解プリズムにおいて、前記第1色及び第2色の入射光を反射して前記第1固体撮像素子に入射させるプリズム部材と、前記第3色及び第4色の入射光を反射して前記第2固体撮像素子に入射させるプリズム部材とを備えることを特徴とする。 The color separation prism used in the two-plate color solid-state imaging device of the present invention separates the incident light from the subject into light including the first color and the second color and light including the third color and the fourth color. In addition, the two-plate color solid-state imaging in which the incident light of the first color and the second color is incident on the first solid-state image sensor and the separated incident light of the third color and the fourth color is incident on the second solid-state image sensor. In the color separation prism of the apparatus, a prism member that reflects incident light of the first color and the second color and enters the first solid-state image sensor, and reflects incident light of the third color and the fourth color And a prism member incident on the second solid-state imaging device.
この構成により、色分解プリズムからなる(分光)光学系の厚さを小さくできる。 With this configuration, the thickness of the (spectral) optical system composed of the color separation prism can be reduced.
本発明の2板式式カラー固体撮像装置は、上記の色分解プリズムを用いることを特徴とする。 The two-plate type color solid-state imaging device of the present invention is characterized by using the above-described color separation prism.
この構成により、装置の更なる小型化を実現できる。 With this configuration, further downsizing of the apparatus can be realized.
本発明のデジタルカメラは、上記のいずれかに記載の2板式カラー固体撮像装置を搭載することを特徴とする。 A digital camera according to the present invention includes the two-plate color solid-state imaging device described above.
この構成により、忠実な色再現が可能で、小型,低コストのデジタルカメラを提供できる。 With this configuration, a faithful color reproduction is possible, and a small, low-cost digital camera can be provided.
本発明のデジタルカメラは、2板式カラー固体撮像装置と、該2板式カラー固体撮像装置が検出した波長460nm〜530nmの検出信号により前記第1固体撮像素子が検出した赤色の感度補正を行う信号処理手段とを備えることを特徴とする。 A digital camera according to the present invention includes a two-plate color solid-state imaging device and signal processing for correcting red sensitivity detected by the first solid-state imaging device based on a detection signal having a wavelength of 460 nm to 530 nm detected by the two-plate color solid-state imaging device. Means.
この構成により、人間の視感度に忠実な画像を再生できるデジタルカメラを提供可能となる。 With this configuration, it is possible to provide a digital camera that can reproduce an image faithful to human visibility.
本発明によれば、忠実な色再現が可能で、しかも、低コスト,小型のデジタルカメラを構成することができる。 According to the present invention, a faithful color reproduction is possible, and a low-cost, small-sized digital camera can be configured.
以下、本発明の一実施形態について、図面を参照して説明する。 Hereinafter, an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings.
〔第1の実施形態〕
図1は、本発明の一実施形態に係るデジタルカメラ(この例ではデジタルスチルカメラ)のブロック構成図である。このデジタルカメラは、被写体からの入射光を集光するレンズや絞りを搭載した光学系21と、本実施形態に係る2板式CCDモジュール22と、光学系21とモジュール22との間に配置された赤外線カットフィルタ23とを備える。
[First Embodiment]
FIG. 1 is a block diagram of a digital camera (in this example, a digital still camera) according to an embodiment of the present invention. This digital camera is disposed between the
本実施形態のデジタルカメラはまた、2板式CCDモジュール22から出力される赤色(R)信号,青色(B)信号及び後述の緑色(G1,G2)信号を取り込み相関二重サンプリング処理等を行うCDS回路24と、CDS回路24の出力信号を取り込んで利得制御処理等を行うプリプロセス回路25と、プリプロセス回路25から出力されるR,G1,G2,Bのアナログ信号をデジタル信号に変換するA/D変換回路26と、A/D変換回路26から出力されるR,G1,G2,Bの画像信号を取り込んでホワイトバランス補正やガンマ補正処理,色感度補正処理等の信号処理を行ったり撮像画像の信号圧縮や伸張処理を行う回路27と、回路27に接続された画像メモリ28と、回路27が処理した撮像画像データを図示しない外部メモリに記録したりカメラ背面等に設けられた液晶表示部に表示したりする記録/表示回路29とを備える。
The digital camera according to the present embodiment also takes in a red (R) signal, a blue (B) signal and a green (G1, G2) signal, which will be described later, from the two-
このデジタルカメラは更に、デジタルカメラ全体を統括制御するシステム制御回路30と、システム制御回路30からの指示信号により同期信号を発生する同期信号回路31と、同期信号に基づいてCCDモジュール22内の各CCDに駆動信号を出力するCCD駆動回路32とを備える。
The digital camera further includes a
本実施形態のデジタルカメラでは、システム制御回路30からの指示信号に基づいて光学系21のレンズ焦点や絞りが制御され、光学系21及び赤外線カットフィルタ23を通してモジュール22内の2つのCCDに被写体の光学像が結像する。そして、受光した光学像に応じて各CCDから赤色(R)信号,青色(B)信号,緑色(G1,G2)信号が出力され、プリプロセス回路25が同期信号に応じてR,B,G1,G2信号の利得制御等を行い、システム制御回路30からの指示に基づいて回路27が信号処理等を行うことで、CCDモジュール22から出力されたR,B,G1,G2信号に基づいて撮像画像が再生され、JPEG形式等のデータに圧縮された画像データが外部メモリに記録される。
In the digital camera according to the present embodiment, the lens focal point and the aperture of the
図2は、図1に示す2板式CCDモジュール22の構成図である。この2板式CCDモジュールは、色分解プリズム35と、第1のCCD36及び第2のCCD37の2枚のCCDを備える。色分解プリズム35は、第1プリズム部材35aと、第2プリズム部材35bと、両者間に形成された緑色(G=G1+G2)反射用ダイクロイック膜38と、第2プリズム部材35bの端面に形成された全反射用のダイクロイック膜39とを備える。尚、膜39はダイクロイック膜である必要はなく、入射光を全反射するものであればよい。
FIG. 2 is a configuration diagram of the two-
第1プリズム部材35aは、図2に示す様に、断面が三角形状となっており、入射光がほぼ垂直に入射する光入射面35cと、光入射面35cに対して斜めに配置されダイクロイック膜38が蒸着形成された界面と、CCD37が対面する第3面とを備える。
As shown in FIG. 2, the
第2プリズム部材35bも、断面が三角形状となっており、第1プリズム部材35a(ダイクロイック膜38)と接する界面と、この界面に対して斜めに配置され全反射膜39が蒸着形成された反射面と、CCD36が対面する第3面とを備える。
The
被写体からの入射光は、先ず第1プリズム部材35aの光入射面35aに垂直に入射し、そのうちの緑色(G=G1+G2)の入射光がダイクロイック膜38で反射し、次に光入射面35aで全反射して、第2のCCD37に結像する。第1プリズム部材35aからダイクロイック膜38を透過して第2プリズム部材35bに入射した赤色(R)と青色(B)の入射光は、全反射膜39で反射し、更に、第1プリズム部材35a界面で全反射されて第1のCCD36に結像する。
Incident light from the subject first enters perpendicularly to the
図2に示す実施形態の色分解プリズム35は、第1プリズム部材35aに入射した緑色(G=G1+G2)の入射光が2回反射して第2CCD37に結像し、第2プリズム部材35bに赤色(R)と青色(B)の入射光が2回反射して第1CCD36に結像する構成としているため、第1CCD36の結像画像に対して第2CCD37の結像画像が鏡映反転した画像になることはない。
In the
また、本実施形態の色分解プリズム35は、その光入射方向の寸法を、図22のプリズム部材7bを設ける必要がないため短くでき、CCDモジュールの小型化,軽量化,薄型化を図ることができる。しかし、薄型にする必要のないデジタルカメラに搭載するCCDモジュールであれば、色分解プリズムとして図22に図示したものを使用することも可能である。
Further, the
図3は、CCD36の表面模式図である。CCD36は、半導体基板43の表面部分に、図示の例では、矩形で示す多数の受光部44(1つ1つの受光部を、以下「画素」ともいう。)が形成されている。各受光部44は、半導体基板43の表面に正方格子状となるように配置され、受光部44の各列の右隣には垂直転送路45が形成され、半導体基板43の下辺部分には、各受光部44から読み出され垂直転送路45を通して転送されてきた信号電荷を水平方向に転送する水平転送路(HCCD)46が形成されている。
FIG. 3 is a schematic diagram of the surface of the
図3の各受光部44中の「R」「B」は、各受光部上に設けたカラーフィルタの色(赤色が「R」、青色が「B」)を示している。即ち、本実施形態に係るCCD36には、色分解プリズム35によって分離された赤色(R)の光と青色(B)の光とが入射し、受光部44のうち、赤色(R)のカラーフィルタ57が積層された受光部44が赤色の入射光量を検出し、青色(B)のカラーフィルタ57が積層された受光部44が青色の入射光量を検出する。
“R” and “B” in each light receiving
図4は、図3に示す受光部44を4画素分拡大した図であり、転送電極を示す図である。本実施形態の転送電極47,48,49は3層ポリシリコン構造となっており、全画素読み出し可能なインターラインCCDを構成する。図示する例では、第3ポリシリコン電極49が赤色(R)の信号電荷または青色(B)の信号電荷を読み出す読出ゲート電極を兼用している。垂直方向に連なる各画素R,Bは上面から見て櫛歯状の素子分離帯42で画成されている。
FIG. 4 is an enlarged view of the
図5は、図4のV―V線断面図である。n型半導体基板43には、表面側にPウェル層50が形成され、Pウェル層50内の表面部にN+層51が形成される。入射光によって発生した信号電荷は、N+層51に蓄積される。この信号電荷蓄積部を形成するN+層51(不純物(リンまたは砒素(P又はAs))濃度は約5×1016〜17/cm3)が読出ゲート電極49下まで延在することで、入射光の光量に応じて発生した電荷が、ゲート部を通って垂直転送路45に読み出される。
5 is a cross-sectional view taken along line VV in FIG. In the n-
N+層51が設けられた半導体基板43の表面の一部には、浅いP+層53が設けられており、更に最表面にはSiO2膜54が設けられている。P+層53の不純物(ボロン)濃度は約1×1018/cm3、深さ約0.1〜0.2μm程度であり、受光部の表面における酸化膜―半導体界面の欠陥準位の低減に寄与している。また、SiO2膜54の上部表面には、受光領域を避けた位置に前述の転送電極47,48,49が形成され、更にその上部に、受光領域に開口部55aを持つ遮光膜55が設けられ、更にその上部に平坦化膜56aが形成され、更に、カラーフィルタ57が設けられ、その上部に平坦化膜56bを介してトップレンズ(マイクロレンズ)58が形成される。
A shallow P + layer 53 is provided on a part of the surface of the
図6は、CCD37の表面模式図である。CCD37は、CCD36と同一構造であり、各受光部44上に設けられるカラーフィルタの色が、緑色(G)である点がCCD36と異なる。緑色(G)のカラーフィルタとしては、G1,G2の2種類を用いている。
FIG. 6 is a schematic diagram of the surface of the
図7は、カラーフィルタG1,G2の分光特性の違いを示すグラフである。このグラフには、CCD36に用いた赤色(R)と青色(B)のカラーフィルタの分光特性も一緒に示している。赤色(R)のカラーフィルタでは長波長側をカットできないが、この長波長部分は、図1に示す赤外線カットフィルタ23によりカットされる。尚、図7では、G1のピーク感度でR,Bの各分光感度を正規化してある。
FIG. 7 is a graph showing the difference in spectral characteristics between the color filters G1 and G2. This graph also shows the spectral characteristics of the red (R) and blue (B) color filters used in the
G1の特性とG2の特性は、長波長端(特性が立ち下がる部分)で同じであるが、短波長端側では、差(斜線を施した部分)が生じる様にしている。この差(G1−G2)を検出することで、波長460nm〜530nm付近の範囲における入射光成分が検出できる。この差(G1−G2)は、人間の赤色(R)を検出する視細胞における負の感度r(図7)に相当し、この負の感度rを示す受光量を、CCD36のカラーフィルタRを持った受光部の受光量から減算することで、人間の視感度に忠実な色再現が可能となる。
The characteristic of G1 and the characteristic of G2 are the same at the long wavelength end (the part where the characteristic falls), but a difference (hatched part) occurs at the short wavelength end side. By detecting this difference (G1-G2), it is possible to detect an incident light component in a wavelength range of 460 nm to 530 nm. This difference (G1-G2) corresponds to the negative sensitivity r (FIG. 7) in the photoreceptor that detects human red (R), and the received light amount indicating this negative sensitivity r is determined by the color filter R of the
尚、本実施形態におけるG1,G2の差は小さいため、図1に示す回路27は、特に輝度信号を生成するときの画像処理において両方共に緑色(G)信号として処理して良く、また、G=G1としても、あるいはG=G2として処理しても良く、更には、G=(G1+G2)/2として処理しても良い。
Since the difference between G1 and G2 in the present embodiment is small, the
図8は、2板式CCDモジュール22におけるCCDの配置図である。正方格子状にR画素とG画素とが交互に配置されたCCD36に対して、正方格子状にG1画素とG2画素とが交互に配置されたCCD37を、図8下段右図に示す様に、画素ピッチが1/2づつ垂直方向,水平方向にずれるように配置したいわゆる画素ズラシ配置とすることにより、更に解像度を高めることが可能となり、ハニカム画素配置用の既存の信号処理ICを使用して画像処理することができる。
FIG. 8 is a layout diagram of CCDs in the two-
しかし、2板式のCCD36,37を画素ズラシ配置にすることは必須ではなく、図8下段左図に示す様に、CCD36の各画素と、CCD37の各画素とが同一サンプリングポイントとなる様に配置することでもよい。この配置にすることで、偽色や色モアレが一層低減される。
However, it is not essential to arrange the two-
〔第1の実施形態の変形例〕
第1の実施形態では、図7で説明したように、G1,G2のカラーフィルタの差G1−G2が負の視感度rとなるように設定している。しかし、G1,G2の設定はこれに限るものではない。例えば、負の視感度rをG1,G2の差で求めるのではなく、図9に示す様に、負の視感度rを直接検出するカラーフィルタg(=G2)と、従来と同様の緑色を検出するカラーフィルタG(=G1)を、CCD37の各画素に交互に形成することでも良い。
[Modification of First Embodiment]
In the first embodiment, as described with reference to FIG. 7, the difference G1-G2 between the color filters G1 and G2 is set to have a negative visibility r. However, the setting of G1 and G2 is not limited to this. For example, instead of obtaining the negative visibility r by the difference between G1 and G2, as shown in FIG. 9, a color filter g (= G2) that directly detects the negative visibility r and the same green as in the conventional case. The color filter G (= G1) to be detected may be alternately formed on each pixel of the
また、G1,G2のカラーフィルタは、例えば、図10に示す様に、赤色(R)と青色(B)の中間の波長域をほぼ2分割するようにG1,G2の特性を設定することでも、忠実な色再現が可能となる。図10の場合、波長460nm〜620nmの光が図2のダイクロイック膜38で反射してCCD37に入射し、そのうち、波長460nm〜540nmの光がG1フィルタを持つ画素で受光され、波長540nm〜620nmの光がG2フィルタを持つ画素で受光される。
Further, the G1 and G2 color filters may be configured by setting the characteristics of G1 and G2 so as to divide the intermediate wavelength range of red (R) and blue (B) into almost two as shown in FIG. , Faithful color reproduction becomes possible. In the case of FIG. 10, light with a wavelength of 460 nm to 620 nm is reflected by the
〔第2の実施形態〕
上述した実施形態では、各画素を正方格子状に配置したCCDを例に説明したが、CCDの各画素を各行毎に1/2ピッチづつづらした所謂ハニカム画素配置(特開平10―136391号公報参照)のCCDでも本発明を実現でき、高解像度化を図ることができる。
[Second Embodiment]
In the above-described embodiment, a CCD in which each pixel is arranged in a square lattice shape has been described as an example. However, a so-called honeycomb pixel arrangement in which each pixel of the CCD is divided by 1/2 pitch for each row (Japanese Patent Laid-Open No. 10-136391). The present invention can also be realized with a CCD), and high resolution can be achieved.
図11は、ハニカム画素配置の第1CCD60の表面模式図であり、図12は、ハニカム画素配置の第2CCD70の表面模式図である。CCD60に設けられている各画素61は、断面構造は図5と同様である。画素61は各行毎に1/2ピッチずれており、水平方向に隣接する画素61間に、垂直転送路62が蛇行して配置される。カラーフィルタG1,G2により緑色(G)の色信号を検出するCCD70の各画素71の断面構造も図5(カラーフィルタの色はG1,G2となる。)と同様であり、水平方向に隣接する画素71間に、垂直転送路72が蛇行して配置される。
FIG. 11 is a schematic diagram of the surface of the
図13は、CCD70の4画素分の拡大図であるまた、図14は、図13の丸印XIV内の転送電極を示す詳細図である。尚、CCD60も同様の構造となる。菱形に形成された素子分離帯73により各画素71が画成され、素子分離帯73に設けられたゲート部74から、画素間に設けられた垂直転送路72に信号電荷が読み出される。垂直転送路72上には、2層ポリシリコン構造でなる転送電極が重ねて設けられ、1つの画素に対して4本の転送電極81,82,83,84が対応付けられている。これにより、ハニカム画素配置のCCDは、2層ポリシリコン構造の転送電極で全画素読み出し(プログレッシブ動作)可能なCCDとなっている。
FIG. 13 is an enlarged view of four pixels of the
この第2実施形態の様に、同一画素数のハニカム画素配置のCCD60,70を2枚用いることでも、第1実施形態と同様の効果が得られると共に、ハニカム画素配置のCCDを用いることで、第1実施形態と比較して更に一層の多画素化が達成でき、しかも、2層ポリシリコン構造の転送電極でプログレッシブ動作が可能となり、製造コストの低減と製造歩留まりの向上を図ることが可能となる。G1,G2のカラーフィルタとしては、図7,図9,図10で説明したいずれかのG1,G2フィルタが用いられる。
As in the second embodiment, even when two
図15は、本実施形態で用いる2板式CCDモジュールにおけるCCDの配置図である。ハニカム状にR画素とG画素とが配置されたCCD60に対して、ハニカム状にG1画素とG2画素とが配置されたCCD70を、図15下段右図に示す様に、画素位置が1/2ピッチだけ水平方向にずれるように配置したいわゆる画素ズラシ配置とする。これにより、更に高解像度の撮像が可能となり、また、R,G1,G2,Bの各画素配置は、正方格子状の配列となり、正方格子画素配置の既存の信号処理ICを使用して画像処理を行うことが可能となる。
FIG. 15 is a layout diagram of CCDs in the two-plate CCD module used in the present embodiment. Compared with the
しかし、本実施形態でも同様に、2つのCCD60,70を必ずしも画素ズラシ配置する必要はなく、図15下段右図に示す様に、CCD60の各画素と、CCD70の各画素とが同一サンプリングポイントとなる様に配置することでもよい。この配置にすることで、偽色や色モアレが一層低減される。
However, in the present embodiment as well, it is not always necessary to dispose the two
〔第3実施形態〕
上述した各実施形態では、固体撮像素子としてCCDを用いた例を説明したが、他の固体撮像素子、例えばCMOS型イメージセンサを用いても本発明を実現できる。
[Third Embodiment]
In each of the above-described embodiments, the example in which the CCD is used as the solid-state imaging device has been described. However, the present invention can be realized even if another solid-state imaging device, for example, a CMOS image sensor is used.
図16は、第1CMOS型イメージセンサの表面模式図である。この第1CMOS型イメージセンサ90は、n型半導体基板91の表面部に形成され、受光領域の脇に形成された垂直走査回路92と、半導体基板91の底辺側に形成された水平走査回路等(信号増幅回路,A/D変換回路,同期信号発生回路等)93とを備える。
FIG. 16 is a schematic view of the surface of the first CMOS image sensor. The first CMOS
受光領域には、多数の受光部94が二次元アレイ状に、この例では正方格子状に配列形成されている。図17は、図16のXVII―XVII線断面模式図である。この第1CMOS型イメージセンサ90の各画素も、前述の実施形態と同様に、赤色(R)または青色(B)のカラーフィルタ97(図17)を搭載している。
In the light receiving region, a large number of light receiving
第1CMOS型イメージセンサ90の各受光部94では、図16に示す様に、n型半導体基板91の表面側にPウェル層95が形成され、Pウェル層95内の表面部にN+層99が形成される。N+層99は、この例では、不純物(リンまたは砒素(P又はAs))濃度を、約5×1016〜17/cm3としている。
In each light receiving
N+層99はオーミックコンタクト105により色信号検出用アンプ106に接続される。このオーミックコンタクト105を良好に行うために、N+層99のうちこのコンタクト部分の不純物濃度を、この例では1×1019/cm3以上としている。アンプ106の等価回路を図18に示す。
The N + layer 99 is connected to the color
斯かる受光部の断面構造により、カラー画像撮像前にリセットトランジスタがONされてN+層99の夫々のPN接合部に所定量の電荷が蓄積される。そして、N+層99のPN接合部における蓄積電荷は、受光部に達した入射光の光量に応じて発生したフォトキャリア分だけ放電し、N+層99のPN接合部における電荷変化量が、色信号としてアンプ106よって読み出される。
With such a cross-sectional structure of the light receiving portion, the reset transistor is turned on before color image capturing, and a predetermined amount of charge is accumulated in each PN junction portion of the N + layer 99. The accumulated charge in the PN junction of the N + layer 99 is discharged by the amount of photocarriers generated according to the amount of incident light reaching the light receiving unit, and the amount of change in charge at the PN junction of the N + layer 99 is It is read by the
図19は、第2CMOS型イメージセンサの表面模式図である。第2CMOS型イメージセンサ98は、図16,17に示す受光部と同一構造をとり、各受光部上に形成したカラーフィルタの色のみが異なる。即ち、第2CMOS型イメージセンサ98では、各受光部上に形成されるカラーフィルタ97(図17)として、図7,図9,図10で説明したいずれかのG1フィルタとG2フィルタとが交互に配置される。
FIG. 19 is a schematic view of the surface of the second CMOS image sensor. The second CMOS
尚、図17では図示を省略したが、第1,第2CMOS型イメージセンサ90,98には、遮光膜や平坦化層,配線層,マイクロレンズなどが半導体基板表面に積層される。
Although not shown in FIG. 17, in the first and second CMOS
図20は、第1,第2CMOS型イメージセンサ90,98の1画素分に対応する二次元平面図である。半導体基板91の表面は、縦横に延びるLOCOSによる素子分離帯110によって碁盤の目の様に各受光部94が素子分離されており、図示する例では、各受光部94はほぼ正方形をなしている。
FIG. 20 is a two-dimensional plan view corresponding to one pixel of the first and second CMOS
各受光部面積のうち、大部分に上述したN+層99が形成され、右上端に短冊状の周辺回路部111が設けられる。この周辺回路部111に、上述したアンプ(ソースフォロアアンプ)106が設けられ、受光部に設けたコンタクトホール105を介して接続されたN+層99から色信号が読み出される。
The N + layer 99 described above is formed in most of each light receiving area, and a strip-shaped
図面上、縦方向に設けられた素子分離帯110の上に、信号出力線112とリセット線114が敷設され、横方向に設けられた素子分離帯110の上に、選択信号線115と電源線113が設けられる。信号出力線112はアンプ106の出力に接続され、図20では周辺回路への接続線が省略されているが電源線113に電源電圧が印加され、リセット線114にはリセット信号が印加される。
In the drawing, a
これらの選択信号やリセット信号は、図16,図19に示す垂直走査回路92や水平走査回路等93等によって制御される。尚、受光部上に記載した点線矩形枠107は、遮光膜の開口部位置を示しており、この内側のみに光が通過し、その外側すなわち周辺回路部111やコンタクトホール105は遮光されている。この図に示されるように、一の受光部に設ける必要のある信号配線数や周辺回路数は少なくて済むため、本実施形態のCMOS型イメージセンサは、受光部面積を広くすることができ、明るい画像が撮像可能である。
These selection signals and reset signals are controlled by the
この様に、本実施形態の第1CMOS型イメージセンサ90と第2CMOS型イメージセンサを用いて2板式カラー固体撮像装置を構成しても、第1,第2の実施形態と同様の効果を得ることができる。
Thus, even when the two-plate color solid-state imaging device is configured using the first
尚、上述した第3の実施形態は、各受光部を正方格子状に配列した例であるが、例えば、米国特許第4558365号公報に記載されている様に各行の受光部を1/2ピッチづつづらした所謂ハニカム画素配置のNMOS型イメージセンサでもよいことはいうまでもない。また、CMOS型,NMOS型に限らず、他の形式のMOS型イメージセンサでもよい。 Note that the third embodiment described above is an example in which the light receiving portions are arranged in a square lattice pattern. For example, as described in US Pat. No. 4,558,365, the light receiving portions in each row are arranged at 1/2 pitch. Needless to say, an NMOS type image sensor having a so-called honeycomb pixel arrangement may be used. Further, the present invention is not limited to the CMOS type and the NMOS type, but may be other types of MOS type image sensors.
以上述べた各実施形態の2板式カラー固体撮像装置及びこれを搭載したデジタルカメラによれば、フルカラー撮像が可能であり、また、同一解像度の単板式の固体撮像素子を用いる場合に比較して1画素の大きさを大きくすることができるため、固体撮像素子の製造歩留まりを上げることができ、2板式であっても低コスト化を図ることが可能となる。 According to the two-plate color solid-state imaging device and the digital camera equipped with the two-plate color solid-state imaging device of each embodiment described above, full-color imaging is possible, and 1 in comparison with the case where a single-plate solid-state imaging device having the same resolution is used. Since the size of the pixel can be increased, the manufacturing yield of the solid-state imaging device can be increased, and the cost can be reduced even with the two-plate type.
本発明に係る2板式カラー固体撮像装置は、小型化,低コスト化を図ることが可能となり、デジタルスチルカメラやデジタルビデオカメラ等のデジタルカメラに搭載するのに有用である。 The two-plate color solid-state imaging device according to the present invention can be reduced in size and cost, and is useful for mounting on a digital camera such as a digital still camera or a digital video camera.
22 2板式CCDモジュール
35 色分解プリズム
36,60 第1CCD
37,70 第2CCD
38 緑色反射用ダイクロイック膜
39 全反射用ダイクロイック膜
44,61,71 受光部
45,62,72 垂直転送路
51,99 N+層
90 第1CMOS型イメージセンサ
98 第2CMOS型イメージセンサ
22 Two-
37,70 2nd CCD
38 Green reflective
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