JP2005259750A - 多板式カラー固体撮像装置及びデジタルカメラ - Google Patents

Abstract

【課題】 広ダイナミックレンジで且つ高感度，高画質のカラー画像の撮像が可能な多板式カラー固体撮像装置を提供する。
【解決手段】 色分解プリズムと、該色分解プリズムで分解された複数の入射光の夫々に対応して設けられ表面部に複数の受光部４２がアレイ状に配列された複数の固体撮像素子とを備える多板式カラー固体撮像装置において、各固体撮像素子の受光部のうち約半数に受光部面積より大面積のマイクロレンズ４７を搭載し残り約半数の受光部４２はマイクロレンズ非搭載とする。これにより、マイクロレンズ搭載受光部を高感度画素とし、マイクロレンズ非搭載受光部を低感度画素として画像合成することで、広ダイナミックレンジのカラー画像の撮像ができる。
【選択図】 図５

Description

本発明は２板式または３板式のカラー固体撮像装置及びデジタルカメラに係り、特に、広いダイナミックレンジのカラー画像を撮像できる多板式カラー固体撮像装置及びデジタルカメラに関する。

ＣＣＤ（電荷結合素子）やＣＭＯＳ等の固体撮像素子の技術進歩が著しく、現在では、デジタルカメラが銀塩カメラに取って代わる勢いになっている。しかし、高画素化が進展した固体撮像素子には様々な問題があり、これを克服する必要が生じてきている。以下、これらの問題点を説明する。

（Ａ）広ダイナミックレンジ化の問題
固体撮像素子を用いて被写体を撮像する場合、高輝度部での白つぶれおよび低輝度部での黒つぶれが生じないことが望ましい。すなわち、低輝度から高輝度にわたる撮像を可能にするためには、固体撮像素子および信号処理回路において広いダイナミックレンジ撮像を実現する必要がある。

固体撮像素子のダイナミックレンジを拡大する方法は、従来から種々提案されている。同一チップ上でカラーフィルタにより決まる一画素を高感度部分と低感度部分から構成し、広ダイナミックレンジ化したＣＣＤセンサが特許文献１に開示されている。

感度に差を設ける方法には、たとえば、
（１）一方の受光部（低感度画素）上にＮＤフィルタを積層する方法
（２）一方の受光部（低感度画素）上の遮光膜の開口を狭める方法
などが考えられる。しかし、いずれの方法も、ＮＤフィルタ使用による感度の低下、あるいは同一受光面積における画素数の低減による解像度の低下を招くという問題がある。

固体撮像素子のダイナミックレンジを拡大する他の方法が、特許文献２に開示されている。高感度側の画像情報と低感度側の画像情報を使ってダイナミックレンジを拡大する手法は同じであるが、露光時間の長短によって感度差を実現する点で特許文献１と異なる。

すなわち、短時間露光（信号電荷の蓄積時間が短い）によって得られた画像情報と、これに続く長時間露光（信号電荷の蓄積時間が長い）によって得られた画像信号とを組み合わせ、広ダイナミックレンジ化している。

しかし、短時間露光による画像情報と長時間露光による画像情報の間に時間的なずれがあるため、特に静止画像を撮影する場合や、動く被写体の撮像、高速シャッタ動作やストロボ撮影等には適さないという間題がある。

高感度側の画像情報と低感度側の画像情報を組み合わせて広ダイナミックレンジの画像情報を得る方法が特許文献３，４に開示されている。また、非特許文献１には、２板式固体撮像装置において、ＮＤフィルタあるいはハーフミラーを用い、入射光を光強度の異なる２つの光信号に分離し、それぞれ高感度側の撮像素子と低感度側の撮像素子によって検出して得た２つの画像情報を組み合わせ、ダイナミックレンジを拡大する手法が開示されている。

これを図示すると、図２３，図２４となる。いずれの構成においても、レンズ１で集光された入射光は、赤外線カットフィルタ２を通った後にプリズム３に入り、ここで、ＮＤフィルタ４あるいはハーフミラー５によって高強度光と低強度光とに分割される。そして、高強度光を高感度側の固体撮像素子６で受光し、低強度光を低感度側の固体撮像素子７で受光する様になっている。

各固体撮像素子６，７の撮像画像信号からは、入射光エネルギ対出力信号強度を示すいわゆる特性曲線が得られる。即ち、図２５に示す様に、高強度光を受光する固体撮像素子６からは出力特性Iが得られ、低強度光を受光する固体撮像素子７からは出力特性IIが得られる。

ダイナミックレンジの広い画像データを得るには、低露光エネルギ領域で高感度側の画像情報（特性I）を主に使用し、高露光エネルギ領域では低感度側の画像情報（特性II）を使用する。このため、２つの異なる特性曲線I，IIを滑らかにつなぎ合わせて特性IIIを得るための信号処理が施され、その結果、出力信号が飽和する露光エネルギ値が従来よりも高露光エネルギ側にシフトし、広ダイナミックレンジ化が可能になる。

（Ｂ）単板式固体撮像素子の問題
単板式固体撮像素子においては、カラー画像の撮像を可能にするために、通常、異なる分光透過率を有する３乃至４種類のカラーフィルタを固体撮像素子表面の二次元平面上に離散的に配置する。

しかし、カラーフィルタを使用すると、カラーフィルタによって受光部への入射が阻止される波長成分の入射光は、有効に利用されないため、感度が低下する。特に原色系カラーフィルタを用いた場合に顕著である。また、カラーフィルタが二次元平面上に離散的に配置されているので、解像度も低下する。これに更に、上記ダイナミックレンジ拡大のための高感度受光部と低感度受光部を設けると、解像度がさらに犠牲になる。

また、チップサイズを変えずに画素を微細化し画素数を増大させていくと、受光部の面積は逆に小さくせざるを得ない。その結果、扱える信号電荷量は小さくなるという問題に直面する。しかも、出力信号に含まれる種々のノイズ成分は、扱える信号電荷量が小さくなってもこれに比例して低下しないため、逆にダイナミックレンジが狭められてしまう。

ＣＣＤばかりでなく、ＣＭＯＳ固体撮像素子においても状況は同様であり、受光部面積を大きくしようとすると、逆に周辺回路部の面積が圧迫されることになる。今後、画素サイズの微細化が更に進展すると、従来の入射光強度に対するダイナミックレンジを維持することが困難になる。

（Ｃ）多板式固体撮像装置の問題
特許文献５，６に示されるように、ＴＶカメラなどでは、イメージセンサを２個または３個以上設けた多板式のカラー固体撮像装置が使用されている。

３板式固体撮像装置は、色成分（例えば、赤（Ｒ），緑（Ｇ），青（Ｂ））ごとに専用のイメージセンサを３個使うので、カラーフィルタを使用する必要がなく、入射エネルギの損失が殆ど無いという利点がある。このため、高感度であり、また各色成分（Ｒ，Ｇ，Ｂ）の信号が同一のサンプリングポイントから得られるので、偽色等が発生せず忠実な色再現が可能である。

そのため、単板式と比較して、感度、解像度、色再現性のいずれも優れている。さらに総画素数を同じと仮定した場合には、３板式の各個体撮像素子の単位画素サイズは単板式固体撮像素子の画素数の略１／３で済むため、チップサイズを同じとすると、単位画素のサイズは略３倍大きくすることができるので、取り扱うことができる最大電荷量も略３倍大きく設定することができ、同時に、製造歩留まりを高く維持できるというメリットがある。このような利点があるため、３板式固体撮像装置は、高感度、高画質が求められる放送局用ＴＶカメラなどに使用さている。

一方、システムを小型化、薄型化した場合、レンズ鏡筒も小径化し、入射光が結像する撮像素子も小型化する必要がある。この場合、多板式固体撮像装置では、単板式に比べ、同一画素数のもとでは、個々の固体撮像素子のチップサイズを小さくすることができるという利点がある。

近年、３板式撮像方式を比較的低価格のＤＳＣ（デジタルスチルカメラ）やカムコーダに適用する例が増えている。一般的に、多板式撮像装置は、複数の固体撮像素子を必要とし、プリズム光学系を必要とするため、コストアップにつながり易い。しかし、単板式固体撮像素子における画素サイズの微細化に伴う製造歩留の低下が顕著になると、必ずしも多板式固体撮像装置が低コスト化に適さないとはいえなくなっている。

特開昭５９―２１０７７５号公報 特開昭６２―１０８６７８号公報 特開平５―６４０８３号公報 特開平６―１４１２２９号公報 特開平５―２４４６１０号公報 特開昭４８―３７１４１号公報 「ＣＣＤカメラ技術入門」コロナ社刊行ｐ１００〜１０１、１９９７年１２月発行

近年では、単板式の固体撮像素子における微細化の進展に伴う製造歩留まりの低下が顕著となり、技術的限界に達してきているため、多板式を採用することによるコスト的不利はなくなりつつある。

そこで、単板式よりダイナミックレンジを広くとれる多板式で、更に従来より広ダイナミックレンジ化を図り、しかも、高感度，高画質のカラー画像が撮像できる多板式カラー固体撮像装置が望まれるようになってきている。

本発明の目的は、広ダイナミックレンジのカラー画像の撮像が可能で、しかも、高感度，高画質の撮像が可能な多板式カラー固体撮像装置及びデジタルカメラを提供することにある。

本発明の多板式カラー固体撮像装置は、色分解プリズムと、該色分解プリズムで分解された複数の入射光の夫々に対応して設けられ表面部に複数の受光部がアレイ状に配列された複数の固体撮像素子とを備える多板式カラー固体撮像装置において、前記の各固体撮像素子の受光部のうち約半数に受光部面積より大面積のマイクロレンズを搭載し残り約半数の受光部はマイクロレンズ非搭載としたことを特徴とする。

この構成により、マイクロレンズを搭載した受光部を高感度画素とし、マイクロレンズ非搭載の受光部を低感度画素として、広ダイナミックレンジの画像生成を行うことができる。

本発明の多板式カラー固体撮像装置は、前記固体撮像素子にアレイ状に配列されている複数の受光部のうち１受光部置きに前記マイクロレンズを搭載することを特徴とする。

この構成により、高感度画素と低感度画素とが１対１且つ近接配置される構成となり、高画質のカラー画像を撮像可能となる。

本発明の多板式カラー固体撮像装置において、前記マイクロレンズは隣接するマイクロレンズとの間に隙間が無いギャップレスマイクロレンズであることを特徴とする。

この構成により、隣接画素間の不感度領域が小さくなり、折返し歪みによる偽色が更に低減する。

本発明の多板式カラー固体撮像装置は、色分解プリズムと、該色分解プリズムで分解された複数の入射光の夫々に対応して設けられ表面部に複数の受光部がアレイ状に配列された複数の固体撮像素子とを備える多板式カラー固体撮像装置において、前記の各固体撮像素子の受光部のうち約半数の受光部の遮光膜開口を他の受光部の遮光膜開口より大面積としたことを特徴とする。

この構成により、遮光膜開口が大面積の受光部を高感度画素とし、遮光膜開口の小面積の受光部を低感度画素として、広ダイナミックレンジの画像生成を行うことができる。

本発明の多板式カラー固体撮像装置は、前記体撮像素子にアレイ状に配列されている複数の受光部のうち１受光部置きの受光部の遮光膜開口を大面積とすることを特徴とする。

この構成により、高感度画素と低感度画素とが１対１且つ近接配置される構成となり、高画質のカラー画像を撮像可能となる。

本発明の多板式カラー固体撮像装置の前記色分解プリズムは、赤色（Ｒ），緑色（Ｇ），青色（Ｇ）の光波長の１つを透過または反射するダイクロイックミラーを有することを特徴とする。

ダイクロイックミラーを使用することで、光ロスを少なくすることができる。

本発明の多板式カラー固体撮像装置の前記色分解プリズムは、入射光のうち緑色の光と残りの赤色及び青色の光に分解し第１の前記固体撮像素子が赤色及び青色の光を受光し第２の前記固体撮像素子が緑色の光を受光する構成を特徴とする。

この構成により、３原色の内の波長が真ん中となる緑色の光を受光する固体撮像素子と、波長が長波長側と短波長側に分かれる赤色及び青色の光を受光する固体撮像素子の２つを使用して多板式カラー固体撮像装置を構成することができる。

本発明の多板式カラー固体撮像装置は、前記第１の固体撮像素子に形成されている複数の受光部の各々は赤色を透過する第１カラーフィルタと青色を透過する第２カラーフィルタのいずれかを有することを特徴とする。

この構成により、第１の固体撮像素子では赤色の信号と青色の信号とを区別して検出することが可能となる。

本発明の多板式カラー固体撮像装置は、前記第１カラーフィルタと前記第２カラーフィルタは前記第１の固体撮像素子の上にストライプ状に水平または垂直または斜め方向に設けられていることを特徴とする。

この構成により、カラーフィルタの形成工程が簡略にでき、製造コストを低減することが可能となる。

本発明の多板式カラー固体撮像装置は、前記第１カラーフィルタ及び前記第２カラーフィルタは染料レジストで形成されていることを特徴とする。

本発明の多板式カラー固体撮像装置は、前記第１カラーフィルタ及び前記第２カラーフィルタは互いに接触せず離間していることを特徴とする。

この構成により、色の異なるカラーフィルタが境界部分で混色するのを回避できる。

本発明の多板式カラー固体撮像装置の前記固体撮像素子は、ＣＣＤ型またはＭＯＳ型であることを特徴とする。

本発明の多板式カラー固体撮像装置は、ＣＣＤ型固体撮像素子でもＭＯＳ型固体撮像素子でも適用可能である。

本発明の多板式カラー固体撮像装置は、前記固体撮像素子に形成される複数の受光部が、正方格子配列またはハニカム配列されていることを特徴とする。

本発明の多板式カラー固体撮像装置は、受光部が正方格子配列でもハニカム配列でも適用できる。

本発明にデジタルカメラは、上記のいずれかに記載の多板式カラー固体撮像装置と、該多板式カラー固体撮像装置の各固体撮像素子に形成されている複数の受光部のうち前記マイクロレンズが搭載された受光部または前記遮光膜開口が大面積の受光部で受光され読み出された信号を高感度画像信号とし前記マイクロレンズの非搭載の受光部または前記遮光膜開口が小面積の受光部で受光され読み出された信号を低感度画像信号として画像合成を行う信号処理回路とを備えることを特徴とする。

この構成により、広ダイナミックレンジの高感度，高画質のカラー画像を撮像することが可能となる。

本発明によれば、広ダイナミックレンジで且つ高感度，高画質のカラー画像の撮像が可能な多板式カラー固体撮像装置とデジタルカメラが提供可能となる。

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。

図１は、本発明の一実施形態に係る多板式カラー固体撮像装置を用いたデジタルカメラ（この例ではデジタルスチルカメラ）の機能ブロック図である。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、本実施形態に係る多板式多板式カラー固体撮像装置２２と、光学系２１と多板式多板式カラー固体撮像装置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。

本実施形態のデジタルカメラはまた、多板式多板式カラー固体撮像装置２２から出力される赤色（Ｒ）信号，緑色（Ｇ）信号，青色（Ｂ）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，Ｇ，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，Ｇ，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信号処理回路２７と、信号処理回路２７に接続された画像メモリ２８と、信号処理回路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。

本実施形態のデジタルカメラでは、多板式カラー固体撮像装置２２からＲ，Ｇ，Ｂ信号が出力されるが、多板式カラー固体撮像装置２２を構成する固体撮像素子には高感度画素と低感度画素とが設けられているため、高感度Ｒ信号と低感度Ｒ信号、高感度Ｇ信号と低感度Ｇ信号、高感度Ｂ信号と低感度Ｂ信号とが出力される。このため、信号処理回路２７には、高感度のＲ，Ｇ，Ｂ信号と低感度のＲ，Ｇ，Ｂ信号とを、図２５で説明した特性IIIに従って合成する機能を設けている。

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多板式カラー固体撮像装置２２内の各固体撮像素子に駆動信号を出力する固体撮像素子駆動回路３２とを備える。

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を通して多板式多板式カラー固体撮像装置２２内の複数の固体撮像素子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固体撮像素子から赤色（Ｒ）信号，緑色（Ｇ）信号，青色（Ｂ）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，Ｇ，Ｂ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信号処理回路２７が画像処理等を行うことで、多板式カラー固体撮像装置２２から出力されたＲ，Ｇ，Ｂ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。

図２は、多板式カラー固体撮像装置２２として、３枚の固体撮像素子を用いた例の構成図である。光学系２１及び赤外線カットフィルタ２３を通して入射してきた被写体からの光は、色分解プリズム３１により赤色（Ｒ），緑色（Ｇ），青色（Ｂ）の３原色に分解され、赤色の光は固体撮像素子３２に入射し、緑色の光は固体撮像素子３３に入射し、青色の光は固体撮像素子３４に入射する様になっている。色分解プリズム３１の構成は、従来の３板式で用いられているものと同一で良く、当然の如く、各固体撮像素子３２，３３，３４には、夫々、カラーフィルタを設けていない。

図３は、多板式カラー固体撮像装置２２として、２枚の固体撮像素子を用いた例の構成図である。光学系２１及び赤外線カットフィルタ２３を通して入射してきた被写体からの光は、色分解プリズム３６により緑色（Ｇ）と、赤色（Ｒ）及び青色（Ｂ）の光の２つに分解され、緑色の光は固体撮像素子３７に入射し、赤色及び青色の光は固体撮像素子３８に入射する様になっている。固体撮像素子３７にはカラーフィルタを設けていないが、固体撮像素子３８には、赤色を透過するカラーフィルタと青色を透過するカラーフィルタのいずれかのカラーフィルタが各画素の受光部に設けられている。

図４は、図２の固体撮像素子３２，３３，３４として用いるＣＣＤ（電荷結合素子）４１の表面模式図である。この例のＣＣＤ４１は、複数の受光部（画素）４２が縦横に正方格子状に配列されており、各画素列の右側に垂直転送路（ＶＣＣＤ）４３が設けられ、下辺側に水平転送路（ＨＣＣＤ）４４が設けられ、水平転送路４４の出力側に増幅器４５が設けられている。このＣＣＤ４１は、全画素（プログレッシブ）読み出し可能なＣＣＤであり、垂直転送路４３は３層ポリシリコン電極を備え３相駆動される。

図５は、図４の楕円Ｖ内の拡大図である。本実施形態のＣＣＤ４１は、各画素４２のうちの半数に、画素４２より大径のマイクロレンズ４７が積層されている。マイクロレンズ４７が積層された画素４２は、垂直方向，水平方向共に１画素置きに配置されている。

マイクロレンズ４７が積層された画素４２では、マイクロレンズ４７が設けられていない画素４２に比べて広い領域（マイクロレンズ４７の面積部分）に入射した光がマイクロレンズ４７によって集光され、遮光膜の開口４８ａから受光部分に入射されるため、感度が高く、高感度画素として機能する。

これに対し、マイクロレンズ４７が設けられていない画素４２では、遮光膜の開口４８ａ部分に入射した光しか受光部分に入らないため、感度が低く、低感度画素として機能する。

図６は、図５のVI―VI線断面図であり、水平方向に隣接する２つの画素の断面図である。また、図７は、図５のVII―VII線断面図であり、斜め方向に隣接する２つの画素の隣接部分の断面図である。

ｎ型シリコン基板５０には、表面側にＰウェル層５１が形成され、Ｐウェル層５１内の表面部にＮ^＋層５２が形成される。入射光によって発生した信号電荷は、Ｎ^＋層５２に蓄積される。

信号電荷蓄積部となるＮ^＋層５２（不純物（リンまたは砒素（Ｐ又はＡｓ））濃度は約５×１０^{１６〜１７}／ｃｍ^３）は、夫々、読出ゲート電極５３（転送電極を兼用する。）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４３に読み出される。

Ｎ^＋層５２が設けられた半導体基板５０の表面の一部には、浅いＰ^＋層５５が設けられており、更に最表面にはＳｉＯ_２膜５６が設けられる。Ｐ^＋層５５の不純物（ボロン）濃度は約１×１０^１８／ｃｍ^３、深さ約０．１μｍ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。隣接する画素間は素子分離帯５７によって分離される。

更に、ＳｉＯ_２膜５６の上部表面には、受光領域に開口部４８ａを持つ遮光膜４８が設けられ、その上部に保護膜５９が形成され、更に上に平坦化膜６１が形成される。更に、高感度画素の場合には、平坦化膜６１の上に、トップレンズ（マイクロレンズ）４７が形成される。トップレンズ４７は、斜めに隣接するトップレンズ４７同士が密着して（図７参照）隙間ができないようなギャップレスのトップレンズとなっている。これにより、隣接画素間の不感度領域が小さくなり、折返し歪みによる偽色が更に低減する。

この様に、ＣＣＤ４１には、マイクロレンズ４７が有る高感度画素とマイクロレンズが無い低感度画素とが設けられているため、高輝度部分を撮像して高感度画素に溜まる信号電荷が飽和した場合でも低感度画素が飽和する率は少なく、反対に、微弱な光しか入射して来ないため低感度画素では殆ど信号電荷を蓄積できなくても、高感度画素がその微弱な光に応じた信号電荷を蓄積するため、黒つぶれが発生する率も小さくなり、広ダイナミックレンジの画像を撮像することができる。しかも、本実施形態のカラー固体撮像装置は３板式を採用しているため、上述した背景技術のところで述べた３板式の利点を享受することができる。

図８は、図２に示す固体撮像素子３２，３３，３４として、上述のＣＣＤ４１の代わりに用いることができるＣＭＯＳイメージセンサの４画素分の平面模式図である。半導体基板の表面は、縦横に延びるＬＯＣＯＳによる素子分離帯６５によって碁盤の目の様に各受光部６６が素子分離されており、図示する例では、各受光部６６はほぼ正方形をなしている。

各受光部面積のうち、大部分にＮ^＋層６７が形成され、右上端に短冊状の周辺回路部６８が設けられる。この周辺回路部６８に、ソースフォロアアンプ６９が設けられ、受光部に設けたコンタクトホール７０を介して接続されたＮ^＋層６７から色信号が読み出される。

図面上、縦方向に設けられた素子分離帯６５の上に、信号出力線７１とリセット線７２が敷設され、横方向に設けられた素子分離帯６５の上に、選択信号線７３と電源線７４が設けられる。信号出力線７１はアンプ６９の出力に接続され、図８では周辺回路への接続線が省略されているが電源線７４に電源電圧が印加され、リセット線７２にはリセット信号が印加される。図中の各受光部６６内に示す点線矩形枠７５は、遮光膜の開口である。

このＣＭＯＳイメージセンサも、上述したＣＣＤ４１と同様に、水平方向、垂直方向共、一画素置きに、マイクロレンズ７６が積層されている。従って、マイクロレンズ７６が積層された受光部６６には、マイクロレンズを設けていない受光部に対して多くの光が入射する。これにより、マイクロレンズ７６を設けた受光部６６が高感度画素として機能し、マイクロレンズを設けていない受光部６６が、低感度画素として機能する。

図９は、図２に示す固体撮像素子３２，３３，３４として、上述のＣＣＤ４１の代わりに使用することができるハニカム画素配置のＣＣＤ８０の表面模式図である。ハニカム画素配置とは、例えば特開平１０―１３６３９１号公報に記載されているように、各画素８１を各行毎に１／２画素ピッチづつずらした画素配列のことをいう。

ハニカム画素配置された多数の画素８１は、各画素列の右側に垂直転送路（ＶＣＣＤ）８２が蛇行形成されており、下辺には水平転送路（ＨＣＣＤ）８３が形成されており、水平転送路８３の出口部には増幅器８４が設けられている。このＣＣＤ８０でも、各画素の半数を高感度画素、残りの半数を低感度画素として使用する。

図１０は、高感度画素と低感度画素とを違いを説明する図であり、図９の楕円Ｘ内の拡大図に相当する。この図１０に示す実施形態では、例えば、奇数行の画素にマイクロレンズ８６を搭載して高感度画素とし、偶数行の画素にはマイクロレンズを設けずに低感度画素としている。勿論、偶数行の画素にマイクロレンズを搭載し、奇数行の画素にマイクロレンズを搭載しない構成でも同じである。

図１１は、図９に示すハニカム画素配置のＣＣＤ８０の４画素分の拡大図であり、図１２は、図１１の円XII内の転送電極を示す図である。図１０に示す実施形態では、マイクロレンズを搭載した画素を高感度画素、マイクロレンズを搭載しない画素を低感度画素とした。しかし、図１１に示す実施形態では、マイクロレンズを使用せずに、高感度画素と低感度画素とを設けている。

図１１において、菱形に形成された素子分離帯９０により各画素８１が画成され、素子分離帯９０に設けられたゲート部９１から、画素間に設けられた垂直転送路８２に色信号電荷が読み出される。

垂直転送路８２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、図１２に示す様に、１つの画素に対して４本の転送電極９２，９３，９４，９５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。これは図１０でも同様である。

図１１に示す実施形態では、奇数行（または偶数行）の画素の遮光膜開口８７ａを大きくし、偶数行（または奇数行）の画素の遮光膜開口８７ｂを小さくしている。遮光膜開口の大きい方が入射光量が多くなり、小さい方が少なくなる。従って、遮光膜開口８７ａが大きい画素８１が高感度画素として機能し、遮光膜開口８７ｂが小さい画素８１が低感度画素として機能する。

尚、正方格子配列のＣＣＤあるいはＣＭＯＳイメージセンサでも、図５，図８のマイクロレンズの代わりに遮光膜開口の大面積とすることで高感度画素にすることができる。

以上は、ハニカム画素配置のＣＣＤに付いて説明したが、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ハニカム画素配置のＭＯＳ型イメージセンサであっても、この実施形態を適用して高感度画素と低感度画素を設けることができる。

以上述べた実施形態は、図２に示す３板式カラー固体撮像装置で用いる固体撮像素子３２，３３，３４の構成であるが、図３に示す２板式カラー固体撮像装置で用いる固体撮像素子３７，３８でも同様である。但し、固体撮像素子３８には、赤色（Ｒ）と青色（Ｂ）が混ざった光が入射するため、赤色（Ｒ）を透過するカラーフィルタまたは青色（Ｂ）を透過するカラーフィルタが固体撮像素子３８の受光部（画素）に設けた点が異なる。固体撮像素子３７については３板式の固体撮像素子３２，３３，３４の構成と同じである。

以下、上述した図４〜図１１にカラーフィルタの色（ＲまたはＢ）を記入した図１３〜図２０を再掲して説明するが、図４〜図１１と同じ部材には同一符号を付してその詳細な説明は省略する。

図１３は、ＣＣＤ型の固体撮像素子３８の表面模式図であり、図１４は、図１３の円XIV内の拡大図である。正方格子状に配列された各画素４２には、図２１（ａ）に示す様に、行毎に同一の赤色（Ｒ）のカラーフィルタあるいは青色（Ｂ）のカラーフィルタが交互に形成されている。各行に並ぶ画素４２は、一画素置きに、マイクロレンズ４７が搭載されている。

尚、ストライプ状のカラーフィルタは、図２１（ａ）に示す様に、水平方向に並べても、逆に、図２１（ｂ）に示す様に、垂直方向に並べてもよい。また、赤色のカラーフィルタの代わりに補色系のイエロ（Ｙｅ）のカラーフィルタを設けても赤色の光は透過し、青色のカラーフィルタの代わりに補色系のシアン（Ｃｙ）のカラーフィルタを設けても青色の光は透過し、夫々受光部に達する。

このため、赤色（Ｒ）フィルタが積層され且つマイクロレンズ４７が積層された画素４２が高感度のＲ画素として機能し、赤色（Ｒ）フィルタが積層されるがマイクロレンズが設けられていない画素４２が低感度のＲ画素として機能する。

同様に、青色（Ｂ）フィルタが積層され且つマイクロレンズ４７が積層された画素４２が高感度のＢ画素として機能し、青色（Ｂ）フィルタが積層されるがマイクロレンズが設けられていない画素４２が低感度のＢ画素として機能する。

図１５は、図１４のXV―XV線断面図であり、図１６は、図１４のXVI―XVI線断面図である。図６，図７に比較して、カラーフィルタ層６０が、平坦化膜５９，６１間に設けられている点が異なる。

図１７は、ＣＭＯＳ型の固体撮像素子３８の４画素分の表面模式図である。各画素６６は正方格子状に配列され、各行の画素６６に、行毎に交互に赤色（Ｒ）フィルタまたは青色（Ｂ）フィルタが設けられている。各行に並ぶ画素６６には、一画素置きにマイクロレンズ７６が搭載されている。

図１８は、ハニカム画素配置のＣＣＤ型固体撮像素子３８の表面模式図であり、図１９は、図１８の円XIX内の拡大図である。この実施例では、画素８１のうち、斜め方向に隣接する画素８１に同一のカラーフィルタが形成されており、図２２（ａ）に示す様に、斜め方向列にＲフィルタとＢフィルタとが交互に形成されている。そして、斜め方向に一画素置きに、マイクロレンズ８６が搭載されている。つまり、垂直方向の奇数行の画素８１にマイクロレンズ８６が搭載され、偶数行すなわち奇数行の画素に対して１／２ピッチずれた画素８１にはマイクロレンズは設けていない。尚、図２２（ａ）に示す斜めストライプ状のカラーフィルタの向きは、図２２（ｂ）に示す様に、逆斜め方向でもよい。

これにより、画素８１の〔１／４〕の数が高感度Ｒ画素として機能し、〔１／４〕の数が高感度Ｂ画素として機能し、〔１／４〕の数が低感度Ｒ画素として機能し、〔１／４〕の数が低感度Ｂ画素として機能する。

図２０は、マイクロレンズを設けずに高感度画素と低感度画素とを設けたハニカム画素配列のＣＣＤで４画素分の拡大図である。斜め方向に隣接する画素に同一色のカラーフィルタを成形するのは図１８，図１９と同じであるが、この実施形態では、マイクロレンズの変わりに遮光膜開口８７ａを大面積とすることで高感度画素として機能させている。

尚、正方格子配列のＣＣＤあるいはＣＭＯＳイメージセンサでも、図１４，図１７のマイクロレンズの代わりに遮光膜開口の大面積とすることで高感度画素にすることができることは前述の通りである。

尚、図２１，図２２では、ストライプ状のＲフィルタ９３とＢフィルタ９４とを密着させずに隙間９５を設けている。この隙間９５を設けることで、Ｒフィルタ９３とＢフィルタ９４とは境界で混色することはない。しかし、この隙間９５を設けずにＲフィルタ９３とＢフィルタ９４とを密着させてもよい。

以上述べた実施形態によれば、固体撮像装置の高画質化、高感度化、広ダイナミックレンジ化が可能になる。ＮＤフィルタやハーフミラーを必要としないので、光のロスが少なく、感度低下も防止できる。カラーフィルタを使用する場合でも、色数が少なくて済み、カラーフィルタのパターンもストライプ状とすることが出来るので、カラーフィルタ形成が容易になり、染料系カラーフィルタの混色も防止できる。

更に、本実施形態によれば、単板式の場合よりも、光路長を長くできるので、長焦点のカメラレンズを使用でき、従って固体撮像素子に入る入射光角度が（法線方向から見て）小さくなり、いわゆる画面中心部と周辺部で起こる輝度シェーディングや色シェーディングを低減させることができる。

本発明によれば、広ダイナミックレンジのカラー画像の撮像が可能で、しかも、高感度，高画質の撮像ができるため、デジタルカメラに搭載する多板式カラー固体撮像装置として有用である。

本発明の一実施形態に係るデジタルカメラの機能ブロック図である。 図１に示す多板式カラー固体撮像装置の３板式の例の構成図である。 図１に示す多板式カラー固体撮像装置の２板式の例の構成図である。 本発明の３板式カラー固体撮像装置に用いる正方配列ＣＣＤ型固体撮像素子の一実施形態の表面模式図である。 図４の円Ｖ内の拡大図である。 図５のIV―IV線断面図である。 図５のIIV―IIV線断面図である。 本発明の３板式カラー固体撮像装置に用いる別実施形態に係る正方配列ＣＭＯＳ型固体撮像素子の４画素分の表面模式図である。 本発明の３板式カラー固体撮像装置に用いる別実施形態に係るハニカム配列ＣＣＤ型固体撮像素子の表面模式図である。 図９の楕円Ｘ内の拡大図である。 本発明の３板式カラー固体撮像装置に用いる更に別実施形態のハニカム配列ＣＣＤ型固体撮像素子の４画素分の表面模式図である。 図１１の円XII内の拡大図である。 本発明の２板式カラー固体撮像装置に用いる正方配列ＣＣＤ型固体撮像素子の一実施形態の表面模式図である。 図１３の円XIV内の拡大図である。 図１４のXV―XV線断面図である。 図１４のXVI―XVI線断面図である。 本発明の２板式カラー固体撮像装置に用いる別実施形態に係る正方配列ＣＭＯＳ固体撮像素子の４画素分の表面模式図である。 本発明の２板式カラー固体撮像装置に用いる更に別実施形態に係るハニカム配列ＣＣＤ型固体撮像素子の表面模式図である。 図１８の楕円XIX内の拡大図である。 本発明の２板式カラー固体撮像装置に用いる更に別実施形態のハニカム配列ＣＣＤ型固体撮像素子の４画素分の表面模式図である。 本発明の正方配列固体撮像素子に用いるストライプパターンを例図する図である。 本発明のハニカム配列固体撮像素子に用いるストライプパターンを例図する図である。 従来の２板式カラー固体撮像装置の光学系の構成図である。 従来の２板式カラー固体撮像装置の光学系の構成図である。 撮像特性の広ダイナミックレンジ化の説明図である。

符号の説明

２２ 多板式カラー固体撮像装置
３２，３３，３４ ３板式用の固体撮像素子
３６，３７ ２板式用の固体撮像素子
４７，７６，８６ マイクロレンズ
７５，８７ａ，８７ｂ 遮光膜開口
Ｒ 赤色を透過するフィルタ
Ｂ 青色を透過するフィルタ

Claims (14)

1. 色分解プリズムと、該色分解プリズムで分解された複数の入射光の夫々に対応して設けられ表面部に複数の受光部がアレイ状に配列された複数の固体撮像素子とを備える多板式カラー固体撮像装置において、前記の各固体撮像素子の受光部のうち約半数に受光部面積より大面積のマイクロレンズを搭載し残り約半数の受光部はマイクロレンズ非搭載としたことを特徴とする多板式カラー固体撮像装置。
2. 前記固体撮像素子にアレイ状に配列されている複数の受光部のうち１受光部置きに前記マイクロレンズを搭載することを特徴とする請求項１に記載の多板式カラー固体撮像装置。
3. 前記マイクロレンズは隣接するマイクロレンズとの間に隙間が無いギャップレスマイクロレンズであることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の多板式カラー固体撮像装置。
4. 色分解プリズムと、該色分解プリズムで分解された複数の入射光の夫々に対応して設けられ表面部に複数の受光部がアレイ状に配列された複数の固体撮像素子とを備える多板式カラー固体撮像装置において、前記の各固体撮像素子の受光部のうち約半数の受光部の遮光膜開口を他の受光部の遮光膜開口より大面積としたことを特徴とする多板式カラー固体撮像装置。
5. 前記体撮像素子にアレイ状に配列されている複数の受光部のうち１受光部置きの受光部の遮光膜開口を大面積とすることを特徴とする請求項４に記載の多板式カラー固体撮像装置。
6. 前記色分解プリズムは、赤色（Ｒ），緑色（Ｇ），青色（Ｇ）の光波長の１つを透過または反射するダイクロイックミラーを有することを特徴とする請求項１乃至請求項５のいずれかに記載の多板式カラー固体撮像装置。
7. 前記色分解プリズムは入射光のうち緑色の光と残りの赤色及び青色の光に分解し第１の前記固体撮像素子が赤色及び青色の光を受光し第２の前記固体撮像素子が緑色の光を受光する構成を特徴とする請求項１乃至請求項６のいずれかに記載の多板式カラー固体撮像装置。
8. 前記第１の固体撮像素子に形成されている複数の受光部の各々は赤色を透過する第１カラーフィルタと青色を透過する第２カラーフィルタのいずれかを有することを特徴とする請求項７に記載の多板式カラー固体撮像装置。
9. 前記第１カラーフィルタと前記第２カラーフィルタは前記第１の固体撮像素子の上にストライプ状に水平または垂直または斜め方向に設けられていることを特徴とする請求項８に記載の多板式カラー固体撮像装置。
10. 前記第１カラーフィルタ及び前記第２カラーフィルタは染料レジストで形成されていることを特徴とする請求項８または請求項９に記載の多板式カラー固体撮像装置。
11. 前記第１カラーフィルタ及び前記第２カラーフィルタは互いに接触せず離間していることを特徴とする請求項８乃至請求項１０のいずれかに記載の多板式カラー固体撮像装置。
12. 前記固体撮像素子はＣＣＤ型またはＭＯＳ型であることを特徴とする請求項１乃至請求項１１のいずれかに記載の多板式カラー固体撮像装置。
13. 前記固体撮像素子に形成される複数の受光部は、正方格子配列またはハニカム配列されていることを特徴とする請求項１乃至請求項１２のいずれかに記載の多板式カラー固体撮像装置。
14. 請求項１乃至請求項１３のいずれかに記載の多板式カラー固体撮像装置と、該多板式カラー固体撮像装置の各固体撮像素子に形成されている複数の受光部のうち前記マイクロレンズが搭載された受光部または前記遮光膜開口が大面積の受光部で受光され読み出された信号を高感度画像信号とし前記マイクロレンズの非搭載の受光部または前記遮光膜開口が小面積の受光部で受光され読み出された信号を低感度画像信号として画像合成を行う信号処理回路とを備えることを特徴とするデジタルカメラ。

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