JP2007088733A

JP2007088733A - Ｃｃｄ型単板式カラー固体撮像素子

Info

Publication number: JP2007088733A
Application number: JP2005273956A
Authority: JP
Inventors: Masaru Osada; 勝長田
Original assignee: Fujifilm Corp
Current assignee: Fujifilm Corp
Priority date: 2005-09-21
Filing date: 2005-09-21
Publication date: 2007-04-05

Abstract

【課題】超多画素であっても、光利用率を低下させることなく、高速フレームレートで高精細な動画像を読み出すことができる様にする。
【解決手段】カラーフィルタＲ，Ｇ，Ｂが積層された画素２が受光領域に配列形成されたＣＣＤ型単板式カラー固体撮像素子１０において、同色または異色のカラーフィルタが積層された複数の画素を画素間引きせずに画素混合して読み出せるカラーフィルタ配列とする。画素混合して動画像データを読み出すため高速フレームレートでの読み出しが可能となり、また、画素間引きしないため光利用率を高くできる。
【選択図】図１

Description

本発明はＣＣＤ型単板式カラー固体撮像素子に係り、特に、高精細な静止画像の撮像と動画像の高速読出が可能なＣＣＤ型単板式カラー固体撮像素子に関する。

近年のデジタルカメラに搭載されるＣＣＤ型固体撮像素子は、ハイビジョン用テレビに高精細な静止画像や動画像を表示できる様に、超多画素化が図られる様になってきている。しかし、超多画素のＣＣＤ型固体撮像素子から３０ｆｐｓの高速フレームレートで動画像を読み出す技術は民生レベルではまだ実用になっておらず、このため、従来は、下記特許文献１記載の様に、水平転送路を複数本化したり、駆動周波数の高速化で対応している。

特開平６―１１３２１２号公報

しかしながら、水平転送路を複数本設ける場合、各水平転送路の出力段に設けられるフローティングディフュージョンアンプＦＤＡの性能に差があると各水平転送路から出力される画像データにレベル差が生じ、各水平転送路からの出力画像を合成した画像の画質を劣化させてしまうという問題がある。また、駆動周波数を高速化すると、消費電力が増大してしまうという問題がある。

そこで、３０ｆｐｓの高速フレームレートで動画像を読み出すために、画素間引き率を高めて動画像を読み出すことになるが、超多画素の固体撮像素子では、１個１個の光電変換素子に蓄積される信号電荷量は極めて少ないため、画素間引きをすると光利用率が下がってしまうという問題が生じる。

本発明の目的は、超多画素であっても、光利用率を低下させることなく、高速フレームレートで高精細な動画像を読み出すことができるＣＣＤ型単板式カラー固体撮像素子を提供することにある。

本発明のＣＣＤ型単板式カラー固体撮像素子は、カラーフィルタが積層された画素が受光領域に配列形成されたＣＣＤ型単板式カラー固体撮像素子において、同色または異色のカラーフィルタが積層された複数の画素を画素間引きせずに画素混合して読み出せるカラーフィルタ配列としたことを特徴とする。

本発明のＣＣＤ型単板式カラー固体撮像素子は、偶数行の画素が奇数行の画素に対して１／２ピッチづつずらして配置され、水平方向に隣接する画素の間に形成される垂直転送路が垂直方向の画素を避けるように蛇行配置されることを特徴とする。

本発明のＣＣＤ型単板式カラー固体撮像素子は、同色のカラーフィルタが垂直方向に２画素づつ連続して設けられることを特徴とする。

本発明のＣＣＤ型単板式カラー固体撮像素子は、前記垂直転送路と水平転送路との間にラインメモリを備えることを特徴とする。

本発明のＣＣＤ型単板式カラー固体撮像素子は、前記受光領域を２分割し各分割領域毎に前記ラインメモリ及び水平転送路を設けたことを特徴とする。

本発明によれば、画素間引きせずに画素混合して動画像データを読み出すため、光利用率を低下させることなく、高フレームレートで高Ｓ／Ｎの動画像データ（ＡＦ／ＡＥ出力を含む。）を読み出すことが可能となる。

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、本発明の第１実施形態に係るＣＣＤ型単板式カラー固体撮像素子の表面模式図であり、その受光領域に、光電変換素子（以下、「画素」という。）２が例えば１０００万画素以上、マトリクス状に配列形成されている。

本実施形態の固体撮像素子１０は、偶数行の画素２に対し、奇数行の画素２が１／２ピッチづつずらして配置され、各画素２から読み出された信号電荷を垂直方向に転送する垂直転送路３が、垂直方向の各画素２を避けるように蛇行配置される構成をとっている。尚、各画素２中に示す「Ｒ」，「Ｇ」，「Ｂ」は、夫々、各画素に設けられる赤色（Ｒ），緑色（Ｇ），青色（Ｂ）のカラーフィルタの色を示している。

固体撮像素子１０の下辺部には水平転送路４が設けられ、垂直転送路３の最終段と水平転送路４との間に、ラインメモリ５が設けられる。

本実施形態の固体撮像素子１０では、奇数行または偶数行の一方の全ての画素２に緑色（Ｇ）のカラーフィルタが積層され、奇数行または偶数行の他方の画素２には、赤色（Ｒ）または青色（Ｂ）のカラーフィルタが積層される。

そして、赤色（Ｒ）を積層した画素２が垂直方向に２画素連続したら次に青色（Ｂ）を積層した画素２を垂直方向に２画素連続させ、次に赤色（Ｒ）の画素２を２画素連続させ、……という構成にしている。また、同色２画素を纏め、緑色（Ｇ）画素を除いて見たとき、ＲとＢを完全な市松配置としている。

斯かる構成の固体撮像素子から静止画像データを読み出す場合には、先ず、固体撮像素子１０の受光領域にある全画素２から夫々の信号電荷を対応の垂直転送路３に読み出す。そして、垂直転送路３に転送パルスを印加することで各信号電荷を垂直方向に転送し、ラインメモリ５を通過し水平転送路４に移った各信号電荷を、水平転送路４に転送パルスを印加することで水平方向に転送し、固体撮像素子１０から出力させる。

動画画像データを固体撮像素子１０から読み出す場合には、画素混合した動画像データを固体撮像素子から読み出す。即ち、本実施形態の固体撮像素子１０では、垂直方向に２画素づつ同色の画素２を連続して設けているため、先ず、垂直２画素の画素混合を行う。画素混合を行う２画素の幾つかを、図１に点線長丸で示す。

図１に示す画素Ｒ１，Ｒ２の画素混合、画素Ｂ１，Ｂ２の画素混合、…を行うのであるが、その画素混合の仕方は問わない。例えば、画素Ｒ１，Ｂ１，…の信号電荷を垂直転送路に読み出しこの信号電荷が画素Ｒ２，Ｂ２位置まで転送されたときに画素Ｒ２，Ｂ２の信号電荷を垂直転送路３に読み出して、画素Ｒ１，Ｒ２の信号電荷の混合、画素Ｂ１，Ｂ２の信号電荷の混合を行ってもよく、また、画素Ｒ１，Ｒ２を同時に垂直転送路３に読み出し、垂直転送路３を転送させている最中に、両画素Ｒ１，Ｒ２の信号電荷を混合してもよい。或いは、ラインメモリ５に転送されてきた画素Ｒ２の信号電荷に、次にラインメモリ５に転送されてくる画素Ｒ１の信号電荷を加算混合してから、水平転送路４に混合信号電荷を移動させることで画素混合を行っても良い。

この様に垂直２画素の画素混合を行い、次に、水平転送路４を転送させて固体撮像素子から画素混合した動画像データを出力させるのであるが、このとき、水平方向でもラインメモリ５を用い、例えば特開２００３―２６４８４４号公報に記載されている方法で画素混合を行う。

例えば、図１に示す画素Ｒ５，Ｒ６の混合信号電荷をラインメモリ５に保持しておき、画素Ｒ１，Ｒ２の混合信号電荷が水平転送路４を転送され画素Ｒ５，Ｒ６が在る水平位置まできたとき、画素Ｒ１，Ｒ２の混合信号電荷に、画素Ｒ５，Ｒ６の混合信号電荷を加算混合する。これにより、水平転送路４からは、４画素分の画素混合が行われた動画像データが出力される。

この様に、本実施形態の固体撮像素子では、画素混合を行って動画像データを生成し固体撮像素子から出力することを特徴とする。従来から画素混合は行われているが、従来の画素混合は、同色の２画素を画素混合するために、同色の画素間に設けられている異色の画素の画素間引きが必須となっており、光利用効率が低いという問題がある。しかし、本実施形態では、同色の２画素を垂直方向に連続して配置しているため、画素間引きが不要となり、光利用効率の高い動画像データを得ることができ、また、画素混合を行うため、高速フレームレートで動画像データを固体撮像素子から出力させることができる。

図２は、本発明の第２実施形態に係るＣＣＤ型単板式カラー固体撮像素子の表面模式図である。この固体撮像素子２０は、特許文献１記載のものと同様に、水平転送路を複数設けている。即ち、図１に示す水平転送路４及びラインメモリ５の他に、固体撮像素子受光領域の上辺に沿う水平転送路６及びラインメモリ７を設け、垂直中心に深くイオンを打ち込んで形成した電位障壁８で受光領域を上下に分離する構成としている。

斯かる固体撮像素子２０では、受光領域の下半分の画素２から読み出した信号電荷は水平転送路４を用いて出力させ、受光領域の上半分の画素２から読み出した信号電荷は水平転送路６を用いて出力させ、下半分の画像データと上半分の画像データとを合成することで、撮像画像データを再生する。各画素からの信号電荷の読み出しと画素混合とは、図１で説明した実施形態と同様に行う。

本実施形態によれば、第１実施形態と同様の効果が得られる他、受光領域の半分づつを水平転送路４，６が分担するため、それだけ高速に画像データを得ることができる。

図３は、本発明の第３実施形態に係るＣＣＤ型単板式カラー固体撮像素子の表面模式図である。上述した第１，第２の実施形態では、垂直方向２画素のカラーフィルタを同色にして画素間引きを行わずに画素混合を行える構成としたが、カラーフィルタの配置を工夫することで、連続２画素を同色にしなくても、画素間引きをせずに画素混合を行うことができる。

本実施形態の固体撮像素子３０では、補色系のカラーフィルタを用いており、シアン（Ｃｙ），イエロー（Ｙｅ），マゼンタ（Ｍｇ），グリーン（Ｇ）の４色のカラーフィルタを用いている。尚、図２の実施形態と同様に、水平転送路を上下に設ける構成も可能であることはいうまでもない。

図４は、本発明の第４実施形態に係るＣＣＤ型単板式カラー固体撮像素子の表面模式図である。本実施形態の固体撮像素子４０では、Ｒ，Ｇ，Ｂの三原色のカラーフィルタを用いているが、画素加算を行うことで、
Ｇ＋Ｇ＝Ｇ
Ｒ＋Ｂ＝Ｍｇ
Ｒ＋Ｇ＝Ｙｅ
Ｇ＋Ｂ＝Ｃｙ
で示す様に、補色系の配列になることを利用している。尚、図２の実施形態と同様に、水平転送路を上下に設ける構成も可能であることはいうまでもない。

図５は、本発明の第５実施形態に係るＣＣＤ型単板式カラー固体撮像素子の表面模式図である。この固体撮像素子５０では、Ｒ，Ｇ，Ｂの三原色のカラーフィルタを用いているが、斜め方向に２画素連続して同色画素になるようにしている。そして、図５に点線長丸で示す様に、同色の斜め２画素を水平転送路で画素混合することで、ベイヤー配列と同じカラーフィルタ配列の画像データが得られることを利用している。尚、図２の実施形態と同様に、水平転送路を上下に設ける構成も可能であることはいうまでもない。

図６は、本発明の第６実施形態に係るＣＣＤ型単板式カラー固体撮像素子の表面模式図である。この固体撮像素子６０では、Ｒ，Ｇ，Ｂの三原色のカラーフィルタを用いているが、垂直方向に２画素連続して同色画素になるようにしている。そして、図６に点線長丸で示す様に、同色の垂直２画素を画素混合することで、ベイヤー配列と同じカラーフィルタ配列の画像データが得られることを利用している。尚、図２の実施形態と同様に、水平転送路を上下に設ける構成も可能であることはいうまでもない。

以上述べた様に、上記の各実施形態では、画素間引きをせずに画素混合して動画像データを読み出す構成のため、高速フレームレートで動画像データを読み出すことができると共に、無駄にする画素がないため光利用効率が高く、超多画素ＣＣＤに好適である。

本発明によれば、画素間引きせずに高速フレームレートで動画像データを読み出すことができるため、超多画素の固体撮像素子として有用である。

本発明の第１実施形態に係る固体撮像素子の表面模式図である。本発明の第２実施形態に係る固体撮像素子の表面模式図である。本発明の第３実施形態に係る固体撮像素子の表面模式図である。本発明の第４実施形態に係る固体撮像素子の表面模式図である。本発明の第５実施形態に係る固体撮像素子の表面模式図である。本発明の第６実施形態に係る固体撮像素子の表面模式図である。

符号の説明

２画素（光電変換素子）
３垂直転送路
４，６水平転送路
５，７ラインメモリ
８電位障壁
１０，２０，３０，４０，５０，６０ＣＣＤ型単板式カラー固体撮像素子

Claims

カラーフィルタが積層された画素が受光領域に配列形成されたＣＣＤ型単板式カラー固体撮像素子において、同色または異色のカラーフィルタが積層された複数の画素を画素間引きせずに画素混合して読み出せるカラーフィルタ配列としたことを特徴とするＣＣＤ型単板式カラー固体撮像素子。
偶数行の画素が奇数行の画素に対して１／２ピッチづつずらして配置され、水平方向に隣接する画素の間に形成される垂直転送路が垂直方向の画素を避けるように蛇行配置されることを特徴とする請求項１に記載のＣＣＤ型単板式カラー固体撮像素子。
同色のカラーフィルタが垂直方向に２画素づつ連続して設けられることを特徴とする請求項１または請求項２に記載のＣＣＤ型単板式カラー固体撮像素子。
前記垂直転送路と水平転送路との間にラインメモリを備えることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれかに記載のＣＣＤ型単板式カラー固体撮像素子。
前記受光領域を２分割し各分割領域毎に前記ラインメモリ及び水平転送路を設けたことを特徴とする請求項４に記載のＣＣＤ型単板式カラー固体撮像素子。