JP2006032913A - 固体撮像素子 - Google Patents

Abstract

【課題】 固体撮像素子において光学ローパスフィルタを備えずに色モアレの発生を防ぐ。
【解決手段】 第１の画素１３ＲはＲフィルタ１１Ｒを備える。第２の画素１３ＧはＧフィルタ１１Ｇを備える。第３の画素１３ＢはＢフィルタ１１Ｂを備える。１つの第１の画素１３Ｒ、２つの第２の画素１３Ｇ、および１つの第３の画素１３Ｂはカラーフィルタ繰返し単位１４を構成する。カラーフィルタ繰返し単位１４を単一のマイクロレンズ１２で覆う。単一のマイクロレンズ１２に覆われた画素１３Ｒ、１３Ｇ、１３Ｇ、１３Ｂにおいて検出されたＲ信号、Ｇ信号、およびＢ信号を出力して、モニタ上の画素１３Ｒ、１３Ｇ、１３Ｇ、１３Ｂに対応する領域において発光させる。
【選択図】 図２

Description

本発明は、色モアレを防ぐように構成された固体撮像素子に関する。

ＣＭＯＳ型、ＣＣＤ、ＣＭＤ、ＢＡＳＩＳ、ＳＩＴ等の固体撮像素子は受光面が細かく分割され、分割された単位領域である画素毎に光電変換が行われる。１つの画素には光の３原色のいずれかの色のカラーフィルタが設けられ、Ｒ（レッド）フィルタが設けられた画素（Ｒ画素）はＲ信号を検出し、Ｇ（グリーン）フィルタが設けられた画素（Ｇ画素）はＧ信号を検出し、Ｂ（ブルー）フィルタが設けられた画素（Ｂ画素）はＢ信号を検出する。モニタなどの表示手段も表示面が細かく分割され、固体撮像素子の画素に対応する領域が存在する。この領域はＲ、Ｇ、Ｂを別々に発色する領域に分かれており、検出した信号に基づき、Ｒ、Ｇ、Ｂの発色を行いこの領域全体で対応する画素に入射する光学像の色が合成され、表示される。

単一の画素で検出できるのは単一の原色信号であるので、この画素における他の原色信号は周囲の画素において検出される他の原色信号に基づいて推定され、補間される。光学像の明暗が急激に変化する領域、すなわち高い空間周波数である光学像の領域において補間を行うと色モアレが発生し、正確な光学像を表現することができない。そこで従来、撮像素子の受光面に光学ローパスフィルタを設け撮像素子に入射される空間周波数の帯域を制限して、色モアレの発生を防いでいる（非特許文献１参照）。

一方で、光学ローパスフィルタは高価であり、また形状が大きいため、固体撮像素子が組み込まれた撮像装置の製造コストの低減や小型化を図るのに問題があった。
鈴木茂夫著「ＣＣＤと応用技術」工学図書株式会社、平成９年８月１０日、ｐ．１０−１１、ｐ．１６−１８

したがって、本発明では光学ローパスフィルタを用いずに色モアレの発生を防ぐ固体撮像素子の提供を目的とする。

本発明の固体撮像素子は、第１のカラーフィルタを有する第１の画素と、第１のカラーフィルタと異なる色の第２のカラーフィルタを有する第２の画素と、第１、第２のカラーフィルタと異なる色の第３のカラーフィルタを有する第３の画素と、第１〜第３の画素を覆う単一のマイクロレンズとを備えることを特徴としている。

マイクロレンズと第１〜第３の画素との間において、第１〜第３の画素を覆う単一の拡散フィルタを備えることが好ましい。

第１のカラーフィルタ、第２のカラーフィルタ、あるいは第３のカラーフィルタがＲ、Ｇ、あるいはＢのいずれかであることが好ましい。また固体撮像素子はＣＭＯＳ型であることが好ましく、さらに第１の画素に設けられる光電変換手段と、第２の画素に設けられる光電変換手段と、第３の画素に設けられる光電変換手段とがマイクロレンズの光軸近傍に配置されることが好ましい。

さらに第１の画素において検出される第１の信号、第２の画素において検出される第２の信号、および第３の画素において検出される第３の信号を、撮像した画像を表示する表示手段において第１〜第３の画素を合わせた範囲に対応する表示領域である単位レンズ領域における第１のカラーフィルタの色に対応する第１の色信号、第２のカラーフィルタの色に対応する第２の色信号、および第３のカラーフィルタの色に対応する第３の色信号であるとして出力することが好ましい。

第１〜第３の画素とともに単一のマイクロレンズに覆われ、第２のカラーフィルタと同じ色であって第２のカラーフィルタより透過率の高い第４のカラーフィルタを有する第４の画素を備えることが好ましい。また、第４の画素において検出される第４の信号が所定の閾値未満である場合に第４の信号を第１〜第４の画素における第２のカラーフィルタの色に対応する第２の色信号として出力し、第４の信号が所定の閾値を超える場合に第２の画素において検出される第２の信号を第１〜第４の画素における第２の色信号として出力することが好ましい。なお、所定の閾値は、第４の画素における飽和受光量未満の受光量に対して生成する第４の信号に相当する値であることが好ましい。

または、第１〜第３の画素とともに単一のマイクロレンズに覆われる第４の画素を備え、マイクロレンズと第４の画素に設けられる光電変換手段の間の空間の光の透過率が可視光成分の全範囲において実質的に等しいことが好ましい。第４の画素が無色透明な部材により覆われることがさらに好ましい。第４の画素において検出される第４の信号に基づいて、第１〜第４の画素における輝度信号を生成することがさらに好ましい。

本発明の信号処理装置は、第１のカラーフィルタを有する第１の画素と、第１のカラーフィルタと異なる色の第２のカラーフィルタを有する第２の画素と、第１、第２のカラーフィルタと異なる色の第３のカラーフィルタを有する第３の画素と、第１〜第３の画素を覆う単一のマイクロレンズとを備える固体撮像素子における第１の画素において検出される第１の信号、第２の画素において検出される第２の信号、および第３の画素において検出される第３の信号を、撮像した画像を表示する表示手段において第１〜第３の画素を合わせた範囲に対応する表示領域である単位レンズ領域における第１のカラーフィルタの色に対応する第１の色信号、第２のカラーフィルタの色に対応する第２の色信号、および第３のカラーフィルタの色に対応する第３の色信号であるとして単位レンズ領域に相当する位置データに対応付けることを特徴としている。

また、本発明の信号処理装置は、第１のカラーフィルタを有する第１の画素と、第１のカラーフィルタと異なる色の第２のカラーフィルタを有する第２の画素と、第１、第２のカラーフィルタと異なる色の第３のカラーフィルタを有する第３の画素と、第２のカラーフィルタと同じ色であって第２のカラーフィルタより透過率の高い第４のカラーフィルタを有する第４の画素と、第１〜第４の画素を覆う単一のマイクロレンズとを備える固体撮像素子における第４の画素において検出される第４の信号が所定の閾値未満である場合に第４の信号を第１〜第４の画素における第２のカラーフィルタの色に対応する第２の色信号として出力し、第４の色信号が所定の閾値を超える場合に第２の画素において検出される第２の信号に基づいて第１〜第４の画素における第２の色信号として出力することを特徴としている。

また、本発明の信号処理装置は、第１のカラーフィルタを有する第１の画素と、第１のカラーフィルタと異なる色の第２のカラーフィルタを有する第２の画素と、第１、第２のカラーフィルタと異なる色の第３のカラーフィルタを有する第３の画素と、第４の画素と、第１〜第４の画素を覆う単一のマイクロレンズとを備え、マイクロレンズと第４の画素に設けられる光電変換手段との間の空間の光の透過率が可視光成分の全範囲において実質的に等しい固体撮像素子における第４の画素において検出される第４の信号に基づいて第１〜第４の画素における輝度信号を生成することを特徴としている。

本発明の撮像装置は、第１のカラーフィルタを有する第１の画素と第１のカラーフィルタと異なる色の第２のカラーフィルタを有する第２の画素と第１、第２のカラーフィルタと異なる色の第３のカラーフィルタを有する第３の画素と第１〜第３の画素を覆う単一のマイクロレンズとを有する固体撮像素子と、撮像した画像を表示する表示手段と、画像に相当する画像データを格納する記憶手段と、第１の画素において検出される第１の信号と第２の画素において検出される第２の信号と第３の画素において検出される第３の信号とを表示手段において第１〜第３の画素を合わせた範囲に対応する表示領域である単位レンズ領域における第１のカラーフィルタの色に対応する第１の色信号と第２のカラーフィルタの色に対応する第２の色信号とおよび第３のカラーフィルタの色に対応する第３の色信号とであるとして表示手段あるいは記憶手段に出力する色信号出力手段とを備えることを特徴としている。

本発明によれば、光学ローパスフィルタを用いずに色モアレの発生を防止することができるため、固体撮像素子が組み込まれた撮像装置の製造コストの低減や小型化を図ることが可能となる。

以下、本発明の実施形態を図面を参照して説明する。
図１は、本発明の第１の実施形態を適用した撮像装置であるデジタルカメラの電気的構成を示すブロック図である。

デジタルカメラ３０にはＣＭＯＳ型固体撮像素子１０、ＣＰＵ２０、モニタ２１、およびメモリ２２が設けられる。ＣＰＵ２０は撮像素子１０にＡ／Ｄコンバータ２３を介して接続される。撮像素子１０により撮像された画像はＡ／Ｄコンバータ２３においてデジタルデータである画像データに変換され、ＣＰＵ２０により、ホワイトバランス、輪郭補正、ガンマ補正などのデータ処理が行われる。

これらのデータ処理が行われた画像データはＤ／Ａコンバータ２４においてアナログ信号に変換され、モニタ２１によって撮像した画像が表示される。また画像データはメモリ２２に格納され、記憶させることも可能である。

図２は固体撮像素子１０の撮像面の拡大図である。撮像素子１０の撮像面に第１のカラーフィルタであるＲ（レッド）フィルタ１１Ｒ、第２のカラーフィルタであるＧ（グリーン）フィルタ１１Ｇ、第３のカラーフィルタであるＢ（ブルー）フィルタ１１Ｂ、およびマイクロレンズ１２が設けられる。撮像面はマトリックス状に細かく分割された多数の画素１３により構成される。１つの画素１３には光電変換素子である１つのフォトダイオード（図２において図示せず）が備えられ、受光時には１つの画素１３により占められる領域の単一の色に対応する信号が検出される。

各画素１３はＲ、Ｇ、Ｂフィルタ１１Ｒ、１１Ｇ、１１Ｂのいずれかを有しており、各画素１３においてＲ、Ｇ、Ｂフィルタ１１Ｒ、１１Ｇ、１１Ｂに対応した色の色信号が検出される。Ｒ、Ｇ、Ｂフィルタ１１Ｒ、１１Ｇ、１１Ｂの配列はベイヤー方式に従って配列される。すなわち、Ｇフィルタ１１Ｇの斜め上下にＧフィルタ１１Ｇが配置される。Ｒフィルタ１１ＲのＧフィルタ１１Ｇを挟んだ上下左右にＲフィルタ１１Ｒが配置され、同様にＢフィルタ１１ＢのＧフィルタ１１Ｇを挟んだ上下左右にＢフィルタ１１Ｂが配置される。

互いに隣接する４つの画素１３、１３、１３、１３は、Ｒフィルタ１１Ｒを有する１つの画素である第１の画素１３Ｒ、Ｇフィルタ１１Ｇを有する２つの画素である第２の画素１３Ｇ、１３Ｇ、およびＢフィルタ１１Ｂを有する１つの画素である第３の画素１３Ｂであり、これらの画素１３Ｒ、１３Ｇ、１３Ｇ、１３Ｂによりカラーフィルタ繰返し単位１４が構成される。カラーフィルタ繰返し単位１４、すなわち第１の画素１３Ｒ、第２の画素１３Ｇ、１３Ｇ、および第３の画素１３Ｂは、単一のマイクロレンズ１２により覆われる。

図３は各画素における開口部１５の配置を示す図である。各画素１３に備えられたフォトダイオード１６が受光を行うための開口部１５はマイクロレンズ１２の光軸近傍に配置される。すなわち、カラーフィルタ繰返し単位１４の中央寄りに各開口部１５は配置される。撮像素子１０はＣＭＯＳ型であるので、フォトダイオード１６を画素内の任意の位置に配置可能である。

カラーフィルタ繰返し単位１４中の左上の画素である第１の画素１３ＲにはＲフィルタ１１Ｒが、右上および左下の画素である第２の画素１３Ｇ、１３ＧにはＧフィルタ１１Ｇが、右下の画素である第３の画素１３ＢにはＢフィルタ１１Ｂが、設けられる。

撮像面に入射した光はマイクロレンズ１２により集光され、第１の画素１３Ｒ、第２の画素１３Ｇ、１３Ｇ、第３の画素１３Ｂに設けられたフォトダイオード１６により受光される。第１の画素１３Ｒでは第１の色信号であるＲ信号が、第２の画素１３Ｇ、１３Ｇでは第２の色信号であるＧ信号が、第３の画素１３Ｂでは第３の色信号であるＢ信号が検出される。

したがって、本実施形態の撮像素子１０によれば単一のマイクロレンズ１２により覆われる領域において集光される光のＲ信号、Ｇ信号、およびＢ色信号を個別に検出することが可能である。したがって、補間を行う必要がないので色モアレの発生を防ぐことができる。

各画素１３Ｒ、１３Ｇ、１３Ｇ、１３Ｂで検出した色信号はＣＰＵ２０に送られる（図４参照）。ＣＰＵ２０は本発明の実施形態である信号処理装置として機能し、任意のカラーフィルタ繰返し単位１４毎に検出されるＲ信号Ｒ₁（第１の信号）、Ｇ信号Ｇ₁（第２の信号）、およびＢ信号Ｂ₁（第３の信号）と、モニタ２１におけるカラーフィルタ繰返し単位１４に対応する単位レンズ領域２５との関連づけを行う。

すなわち、第１の画素１３Ｒが検出するＲ信号Ｒ₁と、第２の画素１３Ｇ、１３Ｇが検出するＧ信号Ｇ₁と、第３の画素１３Ｂが検出するＢ信号Ｂ₁とが単位レンズ領域２５におけるＲ信号、Ｇ信号、およびＢ信号として単位レンズ領域２５に相当する位置データに関連づけられる。

位置データに関連づけられたＲ信号、Ｇ信号、およびＢ信号はモニタ２１に出力される。すなわちＲ信号Ｒ₁、Ｇ信号Ｇ₁、およびＢ信号Ｂ₁が画素１３Ｒ、１３Ｇ、１３Ｇ、１３Ｂに対応するモニタ２１上の単位レンズ領域２５におけるＲ信号、Ｂ信号、Ｇ信号として出力される。単位レンズ領域２５、つまり単一のマイクロレンズ１２により覆われた画素に対応する領域において信号処理が行われたＲ信号Ｒ₁、Ｇ信号Ｇ₁、およびＢ信号Ｂ₁に相当するＲ光、Ｇ光、Ｂ光が発光させられる。

このような信号処理によれば、単一のマイクロレンズ１２に入射する光の実際のＲ信号、Ｇ信号、あるいはＢ信号を検出するので色モアレの発生を完全に防ぐことができる。また、色モアレが発生しないので、光学ローパスフィルタが不要となる。したがって、固体撮像素子が組み込まれた撮像装置の製造コストの低減化、および小型化が可能となる。

また、位置データに対応付けられたＲ信号Ｒ₁、Ｇ信号Ｇ₁、およびＢ信号Ｂ₁はメモリ２２に出力されて格納される。メモリ２２に格納したＲ信号Ｒ₁、Ｇ信号Ｇ₁、およびＢ信号Ｂ₁をパソコン（図示せず）に読込ませ、そのモニタ（図示せず）にモニタ２１と同様に色モアレの発生しない画像を表示することができる。

なお、本実施形態では撮像素子１０の外部にＡ／Ｄコンバータ２３が設けられ、ＣＰＵ２０においてデータ処理や色信号対応付けの処理が行われるが、Ａ／Ｄコンバータ２３、およびＣＰＵ２０で行われる信号処理を行う処理回路を撮像素子１０内部に設ける構成でもよい。

また撮像素子１０はＣＭＯＳであるので、撮像素子１０にＡ／Ｄコンバータ２３あるいはホワイトバランスなどの処理を行う信号処理回路を設けることが可能である。撮像素子１０に設けた信号処理回路により、単一のマイクロレンズ１２に覆われた画素において検出されたＲ信号Ｒ₁、Ｇ信号Ｇ₁、およびＢ信号Ｂ₁を単位レンズ領域２５におけるＲ信号、Ｂ信号、およびＧ信号として出力することが可能である。

次に、第１の実施形態の変形例について説明する。図５は第１の実施形態の変形例である固体撮像素子１００の撮像面の拡大図である。

Ｇフィルタ１１０Ｇを設けた第２の画素１３０Ｇが縦に並ぶ列とＲフィルタ１１Ｒを設けた第１の画素１３ＲおよびＢフィルタ１１Ｂを設けた第３の画素１３Ｂが交互に縦に並ぶ列とが交互に並べられることによって、撮像面が構成される。Ｒフィルタ１１Ｒを設けた第１の画素１３ＲおよびＢフィルタ１１Ｂを設けた第３の画素１３Ｂの大きさはほぼ等しく、Ｇフィルタ１１０Ｇを設けた第２の画素１３０Ｇのほぼ半分の大きさである。

カラーフィルタ繰返し単位１４０は画素１３Ｒ、１３０Ｇ、１３Ｂによって構成され、単一のマイクロレンズ１２によって覆われる。他の構成要素は第１の実施形態と同様である。Ｇフィルタ１１０Ｇを設けた第２の画素１３０Ｇを一つの画素としているが、当然上下２つの画素に分割してもよい。また、このようなフィルタ構成の場合Ｇフィルタ１１０Ｇはストライプ状に付けられるので、図２のベイヤー配列のように市松状に配列しなくてもよいので製造が比較的容易となる。

本変形例においても単一のマイクロレンズ１２毎に集光される光のＲ信号、Ｇ信号、およびＢ信号を個別に検出することが可能である。なお、単一のマイクロレンズ１２によりＲフィルタ１１Ｒを設けた第１の画素１３Ｒ、Ｇフィルタ１１０Ｇを設けた第２の画素１３０Ｇ、およびＢフィルタ１１Ｂを設けた第３の画素１３Ｂが覆われた構成であれば、その配置はいかなるものであってもよい。

次に、本発明の第２の実施形態を適用した固体撮像素子１０１について説明する。本実施形態では、カラーフィルタ繰り返し単位を構成する画素が第１の実施形態と異なる。以下、第１の実施形態と異なる点を中心に説明する。なお、第１の実施形態と同じ機能を有する部位には同じ符号を付す。

図６に示すように、カラーフィルタ繰り返し単位１４１は、第１の画素１３Ｒ、第２の画素１３Ｇ、第３の画素１３Ｂ、および第４の画素１３１Ｇによって構成される。第４の画素１３１Ｇの開口部１５はマイクロレンズ１２の光軸近傍に配置される。

第４の画素１３１Ｇは、第４のカラーフィルタであるＧ’（グリーン）フィルタ１１１Ｇにより覆われる。Ｇ’フィルタ１１１Ｇには、Ｇフィルタ１１Ｇと同じ色で、Ｇフィルタ１１Ｇより透過率の高いカラーフィルタが使用される。

それ以外の構成は第１の実施形態の撮像素子と同じである。すなわち、本実施形態は、第１の実施形態のカラーフィルタ繰返し単位１４を構成する第２の画素１３Ｇの一方のＧフィルタ１１Ｇを、同一の色であって透過率の高いＧ’フィルタ１１１Ｇに代えたものである。

本実施形態の撮像素子によれば、第２の画素１３Ｇにおいて検出する低感度のＧ信号と第４の画素１３１Ｇにおいて検出する高感度のＧ信号とをカラーフィルタ繰返し単位１４１ごとに出力することが可能である。

被写体の光学像が暗い場合には高感度のＧ信号を用い、被写体の光学像が明るい場合は低感度のＧ信号を用いることにより、暗い被写体から明るい被写体まで鮮明に撮像することが可能になる。

本実施形態の撮像素子により生じる効果について図７を用いて詳細に説明する。図７はマイクロレンズ１２に照射される光の照度と第２、第４の画素１３Ｇ、１３１Ｇにおける受光量の関係を示す。直線Ｌ１は照射光の照度と第２の画素における受光量の関係を示し、直線Ｌ２は照射光の照度と第４の画素における受光量との関係を示す。

マイクロレンズ１２に照射される光は、透過率の異なるＧフィルタ１１Ｇ、Ｇ’フィルタ１１１Ｇを透過してそれぞれ第２の画素１３Ｇ、第４の画素１３１Ｇに照射される。したがって、第２の画素１３Ｇに設けられるフォトダイオード１６に照射される光の照度は、第４の画素１３１Ｇに設けられるフォトダイオード１６に照射される光の照度より小さい。

第２、第４の画素１３Ｇ、１３１Ｇに設けられるフォトダイオード１６の飽和受光量Ｌ_SATは等しくなるように形成される（図７参照）。したがって、第２の画素１３Ｇの受光量に基づいて、広い範囲の照度をマイクロレンズ１２への照射光の照度として求めることが可能である。一方、第４の画素１３１Ｇの受光量に基づいて、マイクロレンズ１２への照射光の照度の低い領域において、高い感度で照度を求めることが出来る。なお、信号処理においては、これらの照度に相当する輝度が求められる。

０〜ＩＬ_Lの範囲の輝度は、第４の画素１３１Ｇにおける０〜Ｌ_SATの範囲の受光量に基づいて高感度で求められる。ＩＬ_L〜ＩＬ_Hの範囲の輝度は、第２の画素１３ＧにおけるＬ_CHA〜Ｌ_SATの範囲の受光量に基づいて求められる。

なお、ＣＰＵ２０では、本実施形態の撮像素子から出力される画像信号の信号処理に加えて、第２の画素１３Ｇから出力するＧ信号Ｇ₁と第４の画素１３１Ｇから出力するＧ信号Ｇ₁’のいずれをカラーフィルタ繰り返し単位１４１におけるＧ信号として用いるかの選択処理が行われる。

選択処理では、まず第４の画素１３１Ｇにおいて検出したＧ信号Ｇ₁’が所定の閾値より小さいか否か判断される。所定の閾値より小さい場合は、第４の画素１３１Ｇにおいて検出したＧ信号Ｇ₁’が選択される。なお、所定の閾値は、第４の画素１３１Ｇにおける飽和受光量より低く定められた受光量に応じて生成するＧ信号Ｇ₁’の値である。

一方、所定の閾値より大きい場合は、第２の画素１３Ｇにおいて検出したＧ信号Ｇ₁が選択される。選択されたいずれかのＧ信号に対してホワイトバランス、輪郭補正、γ補正、また前述の関連付けの処理が行われる。

すなわち、関連付けの処理においては、同一のカラーフィルタ繰返し単位１４１を構成する第２、第４の画素１３Ｇ、１３１Ｇにおいて検出したＧ信号Ｇ₁、Ｇ₁’の内の選択された一方がカラーフィルタ繰返し単位１４１に対応する単位レンズ領域２５のＧ信号として位置データに関連付けられる。

なお、本実施形態では透過率の異なる２つのＧカラーフィルタを用いたが、他の色のカラーフィルタであって透過率の異なるカラーフィルタを用いてもよい。ただし、輝度信号の生成に最も寄与するＧ信号を異なる感度で検出することが好ましいため、本実施形態においてはＧカラーフィルタが選択される。

また、第１の実施形態と同様にＡ／Ｄコンバータ２３やＣＰＵ２０と同じ機能を有する処理回路を撮像素子に形成してもよい。処理回路によって本実施形態における選択処理を行う撮像素子が得られる。

次に、第３の実施形態を適用した固体撮像素子１０２について説明する。本実施形態では、カラーフィルタ繰返し単位を構成する画素が第１、第２の実施形態と異なる。以下、第１の実施形態と異なる点を中心に説明する。なお、第１の実施形態と同じ機能を有する部位には同じ符号を付す。

図８に示すように、カラーフィルタ繰返し単位１４２は、第１の画素１３Ｒ、第２の画素１３Ｇ、第３の画素１３Ｂ、および第４の画素１３２Ｔによって構成される。第４の画素１３２Ｔの開口部１５はマイクロレンズ１２の光軸近傍に配置される。

第４の画素１３２Ｔにはカラーフィルタは設けられず、無色透明な光透過部材１１２Ｔによって覆われる。それ以外の構成は第１の実施形態の撮像素子と同じである。すなわち、本実施形態は、第１の実施形態のカラーフィルタ繰返し単位１４２を構成する第２の画素１３Ｇの一方のＧフィルタ１１Ｇを無色透明な光透過部材１１２Ｔに代えたものである。

本実施形態の撮像素子によれば、第４の画素１３２Ｔにおいて検出される光信号を用いて、直接輝度信号を生成することが可能である。カラーフィルタを透過させて検出するＲ、Ｇ、Ｂ信号に基づいて輝度信号を生成する場合に比べて、より被写体の光学像に忠実な輝度信号を得ることが可能になる。

なお、本実施形態において第４の画素１３２Ｔは無色透明な光透過部材１１２Ｔによって覆われるが、覆わない構成であってもよい。第４の画素１３２Ｔに設けられるフォトダイオード１６とマイクロレンズ１２との間の空間の光の透過率が可視光領域の全範囲において実質的に等しければ、特定の色成分の光が吸収されることが無いため本実施形態と同じ効果を生じ得る。

なお、ＣＰＵ２０では、本実施形態の撮像素子の第４の画素１３２Ｔにおいて検出される光信号に基づいて、カラーフィルタ繰返し単位１４２に覆われる画素の輝度信号が生成される。

また、第１の実施形態と同様にＡ／Ｄコンバータ２３やＣＰＵ２０と同じ機能を有する処理回路を撮像素子に形成してもよい。処理回路によって本実施形態における輝度信号生成処理を行う撮像素子が得られる。

次に、本発明の第４の実施形態を適用した固体撮像素子について説明する。図９は本実施形態を適用した固体撮像素子１０３の撮像面の拡大図である。図１０は図９におけるＸ
−Ｘ線に沿った断面図である。本実施形態は、拡散フィルタを用いる点で第１の実施形態
と異なる。以下、第１の実施形態と異なる点を中心に説明をする。なお、第１の実施形態と同じ機能を有する部位には、同じ符号が付されている。

本実施形態の撮像素子には拡散フィルタ１７が設けられる。単一の拡散フィルタ１７によって、カラーフィルタ繰返し単位１４３を構成する第１〜第３の画素１３Ｒ、１３Ｇ、１３Ｇ、１３Ｂが覆われる。拡散フィルタ１７はマイクロレンズ１２とＲ、Ｇ、Ｂフィルタ１１Ｒ、１１Ｇ、１１Ｇ、１１Ｂとの間に設けられる。それ以外の構成は第１の実施形態と同じである。

図１１、図１２を用いて、本実施形態の撮像素子の効果について説明する。図１１は第１の実施形態の撮像素子に光軸の斜め方向から光が入射したときに画素を照射する光の位置を示す。図１２は本実施形態の撮像素子に光軸の斜め方向から光が入射したときに画素を照射する光の位置を示す。

図１１に示すように、第１の実施形態の撮像素子のマイクロレンズ１２に入射する光の方向によっては、第１〜第３の画素１３Ｒ、１３Ｇ、１３Ｇ、１３Ｂのそれぞれの開口部１５、１５、１５、１５に照射される光の光量に偏りが生じることがある。偏りが生じる場合の画像データから再現される画像の画質が低下することがある。

一方で、図１２に示すように本実施形態の撮像素子によれば、拡散フィルタ１７の特定の位置に光が照射される場合であっても、拡散フィルタ１７の出射面から出射される光の光量は出射面全体で均一となる。したがって、カラーフィルタ繰返し単位１４３を構成する画素１３Ｒ、１３Ｇ、１３Ｇ、１３Ｂには均一な光量の光が照射され、画質を高く維持することが可能になる。

なお、本実施形態において、拡散フィルタ１７をマイクロレンズ１２とＲ、Ｇ、Ｂフィルタ１１Ｒ、１１Ｇ、１１Ｇ、１１Ｂの間に設けたが、マイクロレンズ１２と第１〜第３の画素１３Ｒ、１３Ｇ、１３Ｇ、１３Ｂとの間に設ければよい。なお、本実施形態は第２、第３の実施形態および第１の実施形態の変形例に対しても適用することも可能である。

なお、第１〜第４の実施形態において、第１のカラーフィルタ、第２のカラーフィルタ、第３のカラーフィルタとしてＲフィルタ１１Ｒ、Ｇフィルタ１１Ｇ、Ｂフィルタ１１Ｂを用いているが、色を再現するために混合する色であって、互いに異なる色の組み合わせであれば何色を適用してもよく、同様の効果が得られる。すなわち、第２のカラーフィルタは第１のカラーフィルタと異なる色であり、第３のカラーフィルタは第１のカラーフィルタおよび第２のカラーフィルタと異なる色であればよい。

さらに、第１および第２の実施形態における撮像素子はＣＭＯＳ型の固体撮像素子であるが、ＣＣＤ、ＣＭＤ、ＢＡＳＩＳ、ＳＩＴ等の他の固体撮像素子にも適用が可能である。

本発明の第１の実施形態であるカメラの電気的構成を示すブロック図である。 本発明の第１の実施形態である固体撮像素子の撮像面の拡大図である。 本発明の第１の実施形態である各画素における開口部の配置を示す図である。 色信号を検出した画素の位置とモニタ上において検出した色信号に相当する色を発光する場所の対応付けを示す図である。 本発明の第１の実施形態の変形例である固体撮像素子の撮像面の拡大図である。 本発明の第２の実施形態である固体撮像素子の撮像面の拡大図である。 第２の実施形態の固体撮像素子のマイクロレンズへの照射光の照度と第２、第４の画素における受光量の関係を示す図である。 本発明の第３の実施形態である固体撮像素子の撮像面の拡大図である。 本発明の第４の実施形態である固体撮像素子の撮像面の拡大図である。 図９のＸ−Ｘ線に沿った断面図である。 第１の実施形態の撮像素子に光軸の斜め方向から光が入射したときの、画素に照射する光の位置を示す図である。 第４の実施形態の撮像素子に光軸の斜め方向から光が入射したときの、画素に照射する光の位置を示す図である。

符号の説明

１０、１００、１０１、１０２、１０３ 固体撮像素子
１１Ｒ Ｒフィルタ
１１Ｇ、１１０Ｇ、 Ｇフィルタ
１１１Ｇ Ｇ’フィルタ
１１Ｂ Ｂフィルタ
１２ マイクロレンズ
１３Ｒ 第１の画素
１３Ｇ、１３０Ｇ 第２の画素
１３Ｂ 第３の画素
１３１Ｇ、１３２Ｔ 第４の画素
１４、１４０、１４１、１４２、１４３ カラーフィルタ繰返し単位
１５ 開口部
１６ フォトダイオード
１７ 拡散フィルタ
２０ ＣＰＵ
３０ デジタルカメラ

Claims (19)

1. 第１のカラーフィルタを有する第１の画素と、
   前記第１のカラーフィルタと異なる色の第２のカラーフィルタを有する第２の画素と、
   前記第１、第２のカラーフィルタと異なる色の第３のカラーフィルタを有する第３の画素と、
   前記第１〜第３の画素を覆う単一のマイクロレンズと
   を備えることを特徴とする固体撮像素子。
2. 前記マイクロレンズと前記第１〜第３の画素との間において、前記第１〜第３の画素を覆う単一の拡散フィルタを備えることを特徴とする請求項１に記載の固体撮像素子。
3. 前記第１のカラーフィルタ、前記第２のカラーフィルタ、あるいは前記第３のカラーフィルタがＲ、Ｇ、あるいはＢのいずれかであることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の固体撮像素子。
4. ＣＭＯＳ型であることを特徴とする請求項１〜請求項３のいずれか１項に記載の固体撮像素子。
5. 前記第１の画素に設けられる光電変換手段と、前記第２の画素に設けられる光電変換手段と、前記第３の画素に設けられる光電変換手段とが、前記マイクロレンズの光軸近傍に配置されることを特徴とする請求項１〜請求項４のいずれか１項に記載の固体撮像素子。
6. 前記第１の画素において検出される第１の信号、前記第２の画素において検出される第２の信号、および前記第３の画素において検出される第３の信号を、撮像した画像を表示する表示手段において前記第１〜第３の画素を合わせた範囲に対応する表示領域である単位レンズ領域における前記第１のカラーフィルタの色に対応する第１の色信号、前記第２のカラーフィルタの色に対応する第２の色信号、および前記第３のカラーフィルタの色に対応する第３の色信号として出力することを特徴とする請求項１に記載の固体撮像素子。
7. 前記第１〜第３の画素とともに単一の前記マイクロレンズに覆われ、前記第２のカラーフィルタと同じ色であって前記第２のカラーフィルタより透過率の高い第４のカラーフィルタを有する第４の画素を備えることを特徴とする請求項１〜請求項６のいずれか１項に記載の固体撮像素子。
8. 前記第４の画素において検出される第４の信号が所定の閾値未満である場合に前記第４の信号を前記第１〜第４の画素における前記第２のカラーフィルタの色に対応する第２の色信号として出力し、前記第４の信号が前記所定の閾値を超える場合に前記第２の画素において検出される第２の信号を前記第１〜第４の画素における前記第２の色信号として出力することを特徴とする請求項７に記載の固体撮像素子。
9. 前記所定の閾値は、前記第４の画素における飽和受光量未満の受光量に対して生成する第４の信号に相当する値であることを特徴とする請求項８に記載の固体撮像素子。
10. 前記第１〜第３の画素とともに単一の前記マイクロレンズに覆われる第４の画素を備え、前記マイクロレンズと前記第４の画素に設けられる光電変換手段の間の空間の光の透過率が可視光領域の全範囲において実質的に等しいことを特徴とする請求項１〜請求項６のいずれか１項に記載の固体撮像素子。
11. 前記第４の画素は、無色透明な部材により覆われることを特徴とする請求項９に記載の固体撮像素子。
12. 前記第４の画素において検出される第４の信号に基づいて、前記第１〜第４の画素における輝度信号を生成する請求項１０または請求項１１に記載の固体撮像素子。
13. 請求項１に記載の固体撮像素子における前記第１の画素において検出される第１の信号、前記第２の画素において検出される第２の信号、および前記第３の画素において検出される第３の信号を、
    撮像した画像を表示する表示手段において前記第１〜第３の画素を合わせた範囲に対応する表示領域である単位レンズ領域における前記第１のカラーフィルタの色に対応する第１の色信号、前記第２のカラーフィルタの色に対応する第２の色信号、および前記第３のカラーフィルタの色に対応する第３の色信号であるとして、単位レンズ領域に相当する位置データに対応付ける
    ことを特徴とする信号処理装置。
14. 請求項７に記載の固体撮像素子における前記第４の画素において検出される第４の信号が所定の閾値未満である場合に前記第４の信号を前記第１〜第４の画素における前記第２のカラーフィルタの色に対応する第２の色信号として出力し、前記第４の色信号が前記所定の閾値を超える場合に前記第２の画素において検出される第２の信号に基づいて前記第１〜第４の画素における前記第２の色信号として出力することを特徴とする信号処理装置。
15. 請求項１０に記載の固体撮像素子における前記第４の画素において検出される第４の信号に基づいて前記第１〜第４の画素における輝度信号を生成する信号処理装置。
16. 第１のカラーフィルタを有する第１の画素と、前記第１のカラーフィルタと異なる色の第２のカラーフィルタを有する第２の画素と、前記第１、第２のカラーフィルタと異なる色の第３のカラーフィルタを有する第３の画素と、前記第１〜第３の画素を覆う単一のマイクロレンズとを有する固体撮像素子と、
    撮像した画像を表示する表示手段と、
    前記画像に相当する画像データを格納する記憶手段と、
    前記第１の画素において検出される第１の信号、前記第２の画素において検出される第２の信号、および前記第３の画素において検出される第３の信号を、前記表示手段において前記第１〜第３の画素を合わせた範囲に対応する表示領域である単位レンズ領域における前記第１のカラーフィルタの色に対応する第１の色信号、前記第２のカラーフィルタの色に対応する第２の色信号、および前記第３のカラーフィルタの色に対応する第３の色信号として前記表示手段あるいは前記記憶手段に出力する色信号出力手段と
    を備えることを特徴とする撮像装置。
17. 前記第１のカラーフィルタ、前記第２のカラーフィルタ、あるいは前記第３のカラーフィルタがＲ、Ｇ、あるいはＢのいずれかであることを特徴とする請求項１６に記載の撮像装置。
18. ＣＭＯＳ型であることを特徴とする請求項１６または請求項１７に記載の撮像装置。
19. 前記第１の画素に設けられる光電変換手段と、前記第２の画素に設けられる光電変換手段と、前記第３の画素に設けられる光電変換手段とが、前記マイクロレンズの光軸近傍に配置されることを特徴とする請求項１６〜請求項１８のいずれか１項に記載の撮像装置。

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