JP2007258686A - 固体撮像素子及び撮像装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ダイナミックレンジの拡大を図ることが可能な固体撮像素子を提供する。
【解決手段】それぞれ行方向Ｘ及び列方向Ｙに正方格子状に配列された多数の低感度ＰＤ１０及び多数の高感度ＰＤ２０を備える固体撮像素子であって、多数の低感度ＰＤ１０と多数の高感度ＰＤ２０は、互いに配列ピッチの１／２だけ行方向Ｘ及び列方向Ｙにずれた位置に配列されている。多数の低感度ＰＤ１０の受光面の上方には、Ｒ，Ｇ，Ｂを透過する３種類の分光フィルタが形成されている。多数の高感度ＰＤ２０の受光面の上方には、光の輝度成分と相関のある分光特性を持った輝度フィルタが形成されている。輝度フィルタは、ＮＤフィルタや、透明フィルタ、白色フィルタ、グレーのフィルタ等が該当するが、多数の高感度ＰＤ２０の受光面の上方に何も設けずに光が直接受光面に入射する構成も、輝度フィルタを設けたということができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、半導体基板上にＲ（赤）、Ｇ（緑）、Ｂ（青）等の色成分をそれぞれ検出する光電変換素子を、予め定められた配列パターンに従って行方向及び列方向に多数規則的に配列した固体撮像素子に関する。

デジタルカメラなどの装置に採用される固体撮像素子においては、被写体の映像を２次元画像の画素毎に検出するために、多数の光電変換素子（一般的にはフォトダイオード）が正方格子状に必要な数だけ２次元配置されている。また、カラー画像の撮影を行うために、一般的にはＲ、Ｇ、Ｂの各色に対応付けられた複数の光電変換素子が特定の配列パターンに従って行方向及び列方向に規則的に並べて２次元配置してある。

現実には、撮影により得られるカラー画像の品質を最適化するために、ベイヤー配列と呼ばれる配列パターンに従ってＲ、Ｇ、Ｂの各色に対応付けられた複数の光電変換素子を配置するのが一般的である。また、各々の光電変換素子が検出する色の特性については、光電変換素子の受光面の前面に配置されるカラーフィルタを用いて決定するのが一般的である。すなわち、Ｒ色のみを透過する光学フィルタと、Ｇ色のみを透過する光学フィルタと、Ｂ色のみを透過する光学フィルタとをベイヤー配列に従って各光電変換素子の位置の前面に配置することになる。光学フィルタを用いる場合には、各色の光電変換素子として同じ特性の素子を用いることができる。

従来、例えば特許文献１に開示されているように、シリコン基板上に、正方格子状に配列された検出感度の低い低感度の光電変換素子と、正方格子状に配列された検出感度の高い高感度の光電変換素子とを互いに隣接する位置にずらして配置して、ハニカム状の配列パターンを形成することが行われている。

光電変換素子の検出感度とは、光電変換素子に所定量の光が入射したときに、その光電変換素子から取り出せる信号量がどのくらいなのかを示す特性のことを示す。つまり、同一光量の光が入射したとき、検出感度が相対的に高い高感度の光電変換素子は、検出感度が相対的に低い低感度の光電変換素子よりも、取り出せる信号量が多いという特性を持つものと定義することができる。高感度の光電変換素子は、少ない光量で多くの信号を得ることができるため、低照度の被写体を撮影するのに最適であるが、多くの光量が入射した場合には、信号がすぐに飽和してしまうため、高照度の被写体を撮影するのには適さない。又、低感度の光電変換素子は、多くの光量が入射してもあまり多くの信号を得られないため、高照度の被写体を撮影するのに最適であるが、少ない光量が入射した場合には、得られる信号が少なすぎてしまい、低照度の被写体を撮影するのには適さない。

このように構成した固体撮像素子においては、検出すべき画素毎に、低感度の光電変換素子と高感度の光電変換素子とを同時に利用できるので、光量の大きい光は低感度の光電変換素子で検出し、光量の小さい光は高感度の光電変換素子で検出することにより、撮像特性のダイナミックレンジを広くすることができる。

又、特許文献２には、シリコン基板上に、輝度成分を検出する感光素子を正方格子状に配列した第１の感光素子群と、輝度成分を検出する感光素子及びそれぞれ異なる色相成分を検出する２種類の感光素子を正方格子状に配列した第２の感光素子群とを互いに隣接する位置にずらして配置して、ハニカム状の配列パターンを形成することが開示されている。

特開２００４−０５５７８６号公報 特開平１１−３５５７９０号公報

ところで、一般的な固体撮像素子においては、各々の光電変換素子の検出感度を上げるために、各素子の受光面積を大きく形成したり、各素子の受光面の前面にマイクロレンズを配置したりすることにより多くの光が光電変換素子に入射するように工夫された構造になっている。しかし、撮影する画像の解像度を上げるために光電変換素子の数を増やすと素子毎の受光面積を小さくせざるを得ないので、各素子の検出感度を上げるのは難しい。

特に、カラー画像を撮影する固体撮像素子の場合には、Ｒ、Ｇ、Ｂ等に分光された各色成分の光を検出するために、各光電変換素子の受光面の前面に分光用の光学フィルタを設置する必要があるが、この光学フィルタの光透過率が比較的低いので、光学フィルタを通過して実際に光電変換素子で受光される光の強度が減衰し、感度が低下するのが実情である。

各光電変換素子の感度が低いと、例えば暗い環境で撮影を行う場合に鮮明な画像が得られない。また、特許文献１に開示されているように、１つの固体撮像素子において、低感度の光電変換素子と高感度の光電変換素子とを互いに隣接する位置に配置すれば、低感度の光電変換素子の信号と高感度の光電変換素子の信号とを組み合わせて画像の明るさに関するダイナミックレンジを広げることができるが、高感度の光電変換素子は光学フィルタによる光の減衰の影響を受けやすいので、ダイナミックレンジ拡大の効果が若干弱くなってしまう。

又、特許文献２で例示された、第１の感光素子群と第２の感光素子群に用いる感光素子の検出波長の組み合わせでは、色再現性と感度向上とを両立させることが難しい。

本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、色再現性の向上、感度の向上、及びダイナミックレンジの拡大を図ることが可能な固体撮像素子を提供することを目的とする。

本発明の固体撮像素子は、半導体基板上の行方向とこれに直交する列方向に配列された多数の光電変換素子を有する固体撮像素子であって、前記多数の光電変換素子は、同一数の前記光電変換素子をそれぞれ含む第１のグループと第２のグループとに分けられ、前記第１のグループに含まれる各光電変換素子は、前記第２のグループの各々に含まれる各光電変換素子の位置を基準にした場合に、前記第２のグループに含まれる各光電変換素子に前記第１のグループに含まれる１つの光電変換素子が隣接するように、前記基準の位置から所定の方向にずれた位置に配置され、前記第１のグループに含まれる各光電変換素子の受光面の上方には、それぞれ異なる色成分を透過する少なくとも３種類の分光フィルタのいずれかが形成され、前記第２のグループに含まれる各光電変換素子の受光面の上方には、光の輝度成分と相関のある分光特性を持つ輝度フィルタが形成された。

本発明の固体撮像素子は、前記第１のグループに含まれる各光電変換素子の検出感度が、前記第２のグループに含まれる各光電変換素子の検出感度よりも低い。

本発明の固体撮像素子は、前記第１のグループに含まれる各光電変換素子の検出感度が、前記第２のグループに含まれる各光電変換素子の検出感度と略同一である。

本発明の固体撮像素子は、前記第１のグループに含まれる各光電変換素子の上方に形成されるカラーフィルタ及びマイクロレンズのいずれか又は両方を、前記第２のグループに含まれる各光電変換素子の上方に形成されるカラーフィルタ及びマイクロレンズよりも大きくすることで、前記検出感度を略同一としたものである。

本発明の固体撮像素子は、前記分光フィルタが３種類であり、前記３種類の分光フィルタの各々の割合が２：１：１となっている。

本発明の固体撮像素子は、前記３種類の分光フィルタが、赤色の光を透過する分光フィルタと、緑色の光を透過する分光フィルタと、青色の光を透過する分光フィルタであり、前記３つの分光フィルタがベイヤー状に配列されている。

本発明の固体撮像素子は、前記第１グループに含まれる光電変換素子と前記第２グループに含まれる光電変換素子のそれぞれの配列パターンが同一であり、前記配列パターンが格子状である。

本発明の固体撮像素子は、前記第１グループに含まれる光電変換素子と前記第２グループに含まれる光電変換素子とからそれぞれ独立に信号を読み出し可能に構成されたものである。

本発明の撮像装置は、前記固体撮像素子と、前記固体撮像素子の前方に設けられた可動式のレンズと、前記固体撮像素子からの信号に基づいて前記レンズの焦点位置を調節する焦点調節手段とを備え、前記焦点調節手段は、前記焦点位置を調節するための前記固体撮像素子の駆動時、前記固体撮像素子の前記第２のグループに含まれる各光電変換素子のみから信号を読み出す駆動を行う。

本発明によれば、色再現性の向上、感度の向上、及びダイナミックレンジの拡大を図ることが可能な固体撮像素子を提供することができる。

図１は、実施の形態における固体撮像素子の概略構成を示す平面模式図である。
図１に示す固体撮像素子は、シリコン基板上の行方向Ｘとこれに直交する列方向Ｙに二次元状に配列された、検出感度が相対的に低い多数の低感度光電変換素子１０及び検出感度が相対的に高い低感度光電変換素子１０と同数の高感度光電変換素子２０と、低感度光電変換素子１０及び高感度光電変換素子２０に蓄積された電荷を列方向Ｙに転送する垂直電荷転送部（ＶＣＣＤ）３０（図１では一部にのみ符号を付してある）と、ＶＣＣＤ３０を転送されてきた電荷を行方向Ｘに転送する水平電荷転送部（ＨＣＣＤ）４０と、ＨＣＣＤ４０を転送されてきた電荷に応じた電圧信号を出力する信号出力部５０とを備える。ここでいう光電変換素子は例えばフォトダイオードであり、以下光電変換素子のことをＰＤと略す。

低感度ＰＤ１０及び高感度ＰＤ２０は、それぞれ、行方向Ｘとこれに直交する列方向Ｙに正方格子状に配列されている。低感度ＰＤ１０の配列ピッチと高感度ＰＤ２０の配列ピッチは、同じであり、低感度ＰＤ１０と高感度ＰＤ２０は、互いに配列ピッチの１／２だけ行方向Ｘ及び列方向Ｙにずれた位置に配列されている。低感度ＰＤ１０及び高感度ＰＤ２０の検出感度を変化させるには、ＰＤの受光面の面積を変化させてもよいし、ＰＤ上方に設けたマイクロレンズによって、集光面積を変化させてもよいし、低感度ＰＤと高感度ＰＤとで露光時間を変えても良い。これらの方法は公知であるため、説明を省略する。

多数の低感度ＰＤ１０の受光面の上方には、それぞれ異なる色成分（ここでは、Ｒ，Ｇ，Ｂとする）を透過する３種類の分光フィルタが形成されている。

多数の高感度ＰＤ２０の受光面の上方には、光の輝度成分と相関のある分光特性を持った輝度フィルタが形成されている。輝度フィルタは、ＮＤフィルタや、透明フィルタ、白色フィルタ、グレーのフィルタ等が該当するが、多数の高感度ＰＤ２０の受光面の上方に何も設けずに光が直接受光面に入射する構成も、輝度フィルタを設けたということができる。輝度フィルタは、多くの波長成分の光を透過することができるため、分光フィルタに比べて光の減衰が少ない。

ＶＣＣＤ３０は、シリコン基板上に形成された垂直転送チャネル（図示せず）と、垂直転送チャネルを平面視上交差するように形成された複数本の垂直転送電極１０１〜１０４と、低感度ＰＤ１０及び高感度ＰＤ２０の電荷を垂直転送チャネルに読み出す電荷読み出し領域（図１では、模式的に矢印で示してある）とを含む。

垂直転送チャネルは、低感度ＰＤ１０及び高感度ＰＤ２０の間を全体として列方向Ｙに延在する蛇行形状を呈するものであり、その上方に形成された垂直転送電極１０１〜１０４によって、電荷が蓄積、転送される領域が区分される。垂直転送電極１０１〜１０４は、低感度ＰＤ１０及び高感度ＰＤ２０それぞれに対応して４つ設けられ（図では、１行分の高感度ＰＤに対応するもののみに符号を付してある。）、低感度ＰＤ１０及び高感度ＰＤ２０の間を全体として行方向Ｘに延在する蛇行形状を呈するものである。

垂直転送電極１０１〜１０４には、端子１１１〜１１４を介して４相の垂直転送パルスが印加され、垂直転送チャネルの電荷が列方向Ｙに転送される。垂直転送パルスは、ＶＣＣＤ３０とＨＣＣＤ４０の間の転送電極１０５、１０６にも印加され、垂直転送パルスの１周期毎に、１行分の低感度ＰＤ１０及び高感度ＰＤ２０で検出された電荷が、ＨＣＣＤ４０に送られる。低感度ＰＤ１０及び高感度ＰＤ２０から垂直転送チャネルへの読出しは、垂直電荷転送開始直後の第１相パルス（端子１１１に印加される垂直転送パルス）、及び第３相パルス（端子１１３に印加される垂直転送パルス）に読出しパルスを重畳させることによって行う。

低感度ＰＤ１０に対応する電荷読み出し領域に読み出しパルスを印加するための電極（以下、ＰＤ１０の電荷読み出し用の電極という）が垂直転送電極１０１であり、高感度ＰＤ２０に対応する電荷読み出し領域に読み出しパルスを印加するための電極（以下、ＰＤ２０の電荷読み出し用の電極ともいう）が垂直転送電極１０３である。

図１に示す固体撮像素子では、低感度ＰＤ１０の電荷読み出し用の電極と、高感度ＰＤ２０の電荷読み出し用の電極とが、それぞれ異なる端子（１１１，１１３）に接続されている。このため、端子１１１，１１３に印加する読み出しパルスを制御することで、高感度ＰＤ２０からの電荷の読み出しと、低感度ＰＤ１０からの電荷の読み出しとを別々に読み出すことも、同時に読み出すことも可能である。

ＨＣＣＤ４０は、シリコン基板内に形成された水平転送チャネルと、この上方に形成された水平転送電極（いずれも図示せず）とを含む。水平転送電極には、端子１２１、１２２を介して２相の水平転送パルスが印加され、ＶＣＣＤ３０から転送された、１行分の低感度ＰＤ１０と１行分の高感度ＰＤ２０からの電荷が、信号出力部５０に転送される。

このように構成された固体撮像素子は、被写界からの入射光の強度に応じて低感度ＰＤ１０及び高感度ＰＤ２０に蓄積された電荷が、第１相及び第３相の垂直転送パルスに重畳される読み出しパルスによって、垂直転送チャネルに読み出される。そして、垂直転送パルスに応じて垂直転送チャネル内を転送され、水平転送チャネルの所定の領域に保持される。次いで、水平転送パルスが印加されると、保持された電荷は、順次信号出力部５０に送られ、電荷量に対応する電圧信号５１が出力される。

次に、上述した低感度ＰＤ１０及び高感度ＰＤ２０の具体的な配列パターンについて、図２を参照しながら説明する。なお、図２では、説明のため、低感度ＰＤ１０と高感度ＰＤ２０を、それぞれ４行×５列分だけ図示している。また、図２において低感度ＰＤ１０は円形の図形で表してあり、高感度ＰＤ２０は四角形の図形で表してある。また、四角形の図形及び円形の図形の各々の中に、各々が検出する色成分を「Ｒ」、「Ｇ」、「Ｂ」、「Ｗ」で記してある。輝度フィルタは、ＲＧＢ全ての色成分を透過するため、輝度フィルタが設けられた高感度ＰＤ２０で検出される色成分を白色を示す「Ｗ」で表している。

つまり、図２において、「Ｒ」が記されたＰＤは、その上方に「Ｒ」を透過する分光フィルタが形成され、「Ｇ」が記されたＰＤは、その上方に「Ｇ」を透過する分光フィルタが形成され、「Ｂ」が記されたＰＤは、その上方に「Ｂ」を透過する分光フィルタが形成され、「Ｗ」が記されたＰＤは、その上方に輝度フィルタが形成されていることを意味する。

図２に示すように低感度ＰＤ１０は各行Ｌ２１、Ｌ２２、Ｌ２３、Ｌ２４、・・・に配置され、高感度ＰＤ２０は各行Ｌ１１、Ｌ１２、Ｌ１３、Ｌ１４、・・・に配置されている。

低感度ＰＤ１０のグループに注目すると、１番目の行Ｌ２１には「Ｒ」、「Ｇ」、「Ｒ」、「Ｇ」、「Ｒ」、・・・の各色成分を検出する低感度ＰＤ１０が規則的に配置され、２番目の行Ｌ２２には「Ｇ」、「Ｂ」、「Ｇ」、「Ｂ」、「Ｇ」、・・・の各色成分を検出する低感度ＰＤ１０が規則的に配置され、３番目の行Ｌ２３には１番目の行Ｌ２１と同じように低感度ＰＤ１０が規則的に配置され、４番目の行Ｌ２４には２番目の行Ｌ２２と同じように低感度ＰＤ１０が規則的に配置されている。つまり、多数の低感度ＰＤ１０上方に形成されたＲＧＢの分光フィルタは、公知のベイヤー配列となっている。

高感度ＰＤ２０のグループに注目すると、全ての行Ｌ１１、Ｌ１２、Ｌ１３、Ｌ１４、・・・に輝度成分を検出する高感度ＰＤ２０が配置されている。

このように、高感度ＰＤ２０上方には、分光フィルタよりも光の減衰が少ない輝度フィルタが存在しているので、各高感度ＰＤ２０上方に分光フィルタを設けている従来と比べて、高感度ＰＤ２０の検出感度を向上させることができる。

また、互いに隣接する位置に配置されている低感度ＰＤ１０と高感度ＰＤ２０とを組み合わせて使用することで、ダイナミックレンジの広い画像信号を再現できる。すなわち、高感度ＰＤ２０を用いて撮影することにより弱い光でもノイズに埋もれない鮮明な画像を再現でき、低感度ＰＤ１０を用いて撮影することにより強い光に対しても信号の飽和を生じることなく光の強度を忠実に再現できる。特に、本実施形態では、高感度ＰＤ２０の検出感度を輝度フィルタを設けることで更に向上させているため、ダイナミックレンジの更なる向上が期待できる。

また、固体撮像素子全体のＰＤの配列を見ると、各行各列に輝度成分を検出可能なＰＤが存在するため、高い解像度を得ることができる。

また、低感度ＰＤ１０のグループには、Ｒ光を検出するＰＤと、Ｇ光を検出するＰＤと、Ｂ光を検出するＰＤとが含まれ、これらを同時に読み出すことが可能となっているため、低感度ＰＤ１０のグループに含まれる各ＰＤの蓄積時間を電子シャッタ制御によって完全に同一にすることができる。したがって、電荷読み出し用の電極を、Ｒ光を検出するＰＤと、Ｇ光を検出するＰＤと、Ｂ光を検出するＰＤとで異なるものにした場合に比べて、蓄積時間の調整にかかるコストを削減することができる。

また、低感度ＰＤ１０と高感度ＰＤ２０がそれぞれ正方格子状に配列されているため、いずれか一方のみから信号を読み出す間引き読み出しを行った場合、低感度ＰＤ１０から得られる信号のみでカラー画像を作成することができ、高感度ＰＤ２０から得られる信号のみで高精細な白黒画像を作成することができる。低感度ＰＤ１０及び高感度ＰＤ２０の検出感度を露光時間によって制御できるようにしておくことで、間引き読み出しを行う場合でも、撮影環境に合わせた感度で撮影を行うことが可能となる。

なお、本実施形態では、公知の方法によって低感度ＰＤ１０と高感度ＰＤ２０に検出感度差を設けるものとしたが、例えば、低感度ＰＤ１０と高感度ＰＤ２０を、それぞれ、受光面積、露光時間、及び上方に設けられるマイクロレンズの集光面積が同一である同一構造のフォトダイオードとしても良い。このようにした場合でも、低感度ＰＤ１０上方には分光フィルタが設けられ、高感度ＰＤ２０上方には分光フィルタよりも光の減衰の少ない輝度フィルタが設けられているため、結果的に、高感度ＰＤ２０の検出感度が低感度ＰＤ１０の検出感度よりも高くなる。したがって、検出感度が全く同一である場合に比べて、ダイナミックレンジを拡大させた撮像を行うことが可能となる。

また、低感度ＰＤ１０と高感度ＰＤ２０を同一構造のフォトダイオードとした場合は、特許文献２の図４に示された撮像素子と似た構成になる。しかし、特許文献２の図４の撮像素子では、輝度成分を検出するための感光素子上にＧ光を透過する分光フィルタを設ける必要があり、輝度成分を検出するための感光素子の検出感度が低下してしまう。これに対し、本実施形態の固体撮像素子によれば、高感度ＰＤ２０上方には分光フィルタよりも光の減衰が少ない輝度フィルタを設けているため、特許文献２の撮像素子に比べて輝度成分の検出感度を向上させることができる。

また、低感度ＰＤ１０と高感度ＰＤ２０を同一構造のフォトダイオードとした場合は、特許文献２の図１に示された撮像素子と似た構成になる。しかし、特許文献２の図１の撮像素子では、撮像によってＹ信号、Ｃ１信号、Ｃ２信号の３種類の信号しか得ることができず、色再現性が低下してしまう。これに対し、本実施形態の固体撮像素子によれば、撮像によってＲ信号、Ｇ信号、Ｂ信号、輝度信号の４種類の信号を得ることができるため、特許文献２の撮像素子に比べて色再現性を向上させることができる。

また、図２に示したような構成によれば、行方向Ｘについての解像度を１／２にするためにＨＣＣＤ４０にて電荷の加算処理を行う場合、低感度ＰＤ１０の各行については、行方向Ｘに１つおきに隣接する同色成分を検出する低感度ＰＤ１０から得られる電荷同士を加算し、高感度ＰＤ２０の各行については、行方向Ｘに隣接する同色成分を検出する高感度ＰＤ２０から得られる電荷同士を加算することになる。仮に、高感度ＰＤ２０が従来と同じように、上方にベイヤー配列の分光フィルタが存在する場合には、高感度ＰＤ２０の各行についても、行方向Ｘに１つおきに隣接する同色成分を検出する高感度ＰＤ２０から得られる電荷同士を加算する必要があるが、この場合、低感度ＰＤ１０からの電荷の加算処理と高感度ＰＤ２０からの電荷の加算処理とを同時に行うことができない。これに対し、図２に示した構成によれば、低感度ＰＤ１０からの電荷の加算処理と高感度ＰＤ２０からの電荷の加算処理とを同時に行うことができ、高速処理が可能となる。

以上説明した固体撮像素子では、ダイナミックレンジを広げるために、低感度ＰＤ１０よりも高感度ＰＤ２０の検出感度を高くしているが、このようにした場合、低感度ＰＤ１０から得られる信号量と、高感度ＰＤ２０から得られる信号量とに大きな差が出るため、信号読み出し処理や読み出し後の信号処理が複雑になってしまう。そこで、図１の固体撮像素子において、高感度ＰＤ２０の検出感度と低感度ＰＤ１０の検出感度を略同一にすることで、信号処理を簡易化することが可能である。

高感度ＰＤ２０の検出感度と低感度ＰＤ１０の検出感度を同じにする（両者の差を極力縮める）方法としては、上記公知の手法の他に次のような方法が考えられる。まず、低感度ＰＤ１０と高感度ＰＤ２０の構造を同一とし、両者の検出感度差を分光フィルタと輝度フィルタの光減衰率の差に依存したもののみにする。そして、図３に示すように、低感度ＰＤ１０上方の分光フィルタＦ及びマイクロレンズＭＬを高感度ＰＤ２０上方の輝度フィルタＷ及びマイクロレンズＭＬよりも大きくして低感度ＰＤ１０の検出感度を上げ、両者の検出感度を略一致させる。図３のようにした場合、分光フィルタＦを通過した光が高感度ＰＤ２０に漏れこんだ場合でも、高感度ＰＤ２０は輝度成分を検出する素子であるため、色再現への影響が少ない。このため、低感度ＰＤ１０と高感度ＰＤ２０の検出感度を同一にして信号読み出し処理や信号処理を簡素化しながら、色再現性を維持することができる。又、図３のようにした場合、分光フィルタＦを高感度ＰＤ２０上方のマイクロレンズＭＬと重なる位置まではみ出させても色再現性に問題がないため、分光フィルタの位置合わせマージンを広くとることができ、製造コストを削減することもできる。

次に、図１に示す固体撮像素子を用いた撮像装置について図４を参照しながら以下に説明する。なお、図４に示す撮像装置については、自動焦点調節（ＡＦ）機構を有する光学系を搭載したデジタルカメラを想定している。

図４に示す撮像装置は、図１に示す固体撮像素子と同じ構成の固体撮像素子１００と、固体撮像素子１００の前方に設けられた撮影レンズ１１０と、固体撮像素子１００を駆動する駆動部１２０と、撮影レンズ１１０を駆動するレンズ駆動部１３０と、制御部１４０と、操作部１５０とを備えている。

固体撮像素子１００の構成及び動作については前述の通りである。撮影対象の被写体からこの撮像装置に入射する光は、撮影レンズ１１０で集光され固体撮像素子１００の表面に光像を形成する。撮影レンズ１１０は、固体撮像素子１００の厚み方向に移動可能なレンズを含み、このレンズの位置を変えることにより焦点位置の調節を行うことができる。

駆動部１２０は、固体撮像素子１００に含まれる各ＰＤ１０，２０から電荷を読み出したり、固体撮像素子１００上で行方向及び列方向に電荷を転送するための様々なパルス信号を生成したりするための電気回路である。レンズ駆動部１３０は、撮影レンズ１１０に含まれる移動可能なレンズを移動するための電気モータ及びそれを駆動する電気回路により構成されている。

制御部１４０は、この撮像装置の全体を統括制御するための電気回路であり、撮像装置を操作するためのシャッターボタンを含む操作部１５０からの指示に従って、駆動部１２０及びレンズ駆動部１３０を制御し、更に固体撮像素子１００から出力される信号を処理する。

駆動部１２０、レンズ駆動部１３０、及び制御部１４０が特許請求の範囲の焦点調節手段を構成する。

図４に示す撮像装置におけるＡＦ（自動焦点調節）動作に関する処理の概要は次の通りである。
ステップＳ１：ユーザによりシャッターボタンが押されると、ＡＦ開始指示が制御部１４０の内部で発生する。
ステップＳ２：ＡＦ開始指示により制御部１４０はＡＦのための撮影を開始する。すなわち、レンズ駆動部１３０を制御して撮影レンズ１１０に含まれる可動式レンズを移動させ、可動式レンズの各移動位置毎において、ＡＦモードで駆動部１２０を制御して固体撮像素子１００による撮影を行う。
ステップＳ３：駆動部１２０は、制御部１４０からＡＦモードの撮影指示を受けると、前述の低感度ＰＤ１０及び高感度ＰＤ２０のうち、高感度ＰＤ２０だけについて信号を読み出すように固体撮像素子１００を駆動する。具体的には、露光期間終了後、第３相パルス（端子１１３に印加される垂直転送パルス）にのみ読出しパルスを重畳させることで、高感度ＰＤ２０のみから信号を読み出す駆動を行う。
ステップＳ４：制御部１４０は、撮影レンズ１１０に含まれる可動式レンズの各移動位置での撮影によって固体撮像素子１００から得られた信号に基づいて、合焦位置を決定する。
ステップＳ５：制御部１４０は、決定した合焦位置に撮影レンズ１１０に含まれる可動式レンズを移動するようにレンズ駆動部１３０を制御し、これにより撮影レンズ１１０に含まれる可動式レンズが焦点の合った位置に移動され、ＡＦ動作が完了する。

上記のＡＦ動作においては、ピント合わせのための撮影を固体撮像素子１００で行う際に、高感度ＰＤ２０だけを用いて撮影を行い、低感度ＰＤ１０からの読み出しを省略するので、短時間で撮影を完了することができ、ＡＦ制御の高速化が可能になる。しかも、高感度ＰＤ２０は感度が高くなっているため、暗い環境であっても鮮明な画像を撮影することが可能であり、ピントずれが発生しにくい。なお、カラー画像を再現するためには、「Ｒ」、「Ｇ」、「Ｂ」等の色成分をそれぞれ検出する必要があるが、ＡＦ動作のための撮影の際には、輝度成分があれば画像中の空間周波数等を検出できるので、色成分の情報は不要である。

なお、低感度ＰＤ１０上方に設ける３種類の分光フィルタの配列パターンについては必要に応じて望ましいパターンを採用すればよい。現在のところ、図２に示したようなベイヤー配列を用いることにより最も品質の高いカラー画像を再現できる。また、低感度ＰＤ１０上方に設ける分光フィルタとして、補色系の分光フィルタを用いたり、それぞれ異なる色を透過する４種類以上の分光フィルタを用いたりしても良い。分光フィルタとして３種類の分光フィルタを用いた場合には、ベイヤー配列のように、３種類の分光フィルタの各々の比率を２：１：１とすれば、良好な色再現性を確保することが可能である。

実施の形態における固体撮像素子の概略構成を示す平面模式図。 図１に示す固体撮像素子の光電変換素子の配列パターンを模式的に示す平面図。 図１に示す固体撮像素子の変形例を示す断面模式図。 図１に示す固体撮像素子を搭載した撮像装置の概略構成を示すブロック図。

符号の説明

１０ 低感度ＰＤ
２０ 高感度ＰＤ
３０ 垂直電荷転送部
４０ 水平電荷転送部
５０ 信号出力部
５１ 電圧信号
１００ 固体撮像素子
１１０ 撮影レンズ
１２０ 駆動部
１３０ レンズ駆動部
１４０ 制御部
１５０ 操作部
１２１，１２２ 水平転送パルス用端子
１０１〜１０４ 垂直転送電極
１０５，１０６ 転送電極
１１１〜１１４ 垂直転送パルス用端子

Claims (9)

1. 半導体基板上の行方向とこれに直交する列方向に配列された多数の光電変換素子を有する固体撮像素子であって、
   前記多数の光電変換素子は、前記光電変換素子をそれぞれ含む第１のグループと第２のグループとに分けられ、
   前記第１のグループに含まれる各光電変換素子は、前記第２のグループの各々に含まれる各光電変換素子の位置を基準にした場合に、前記第２のグループに含まれる各光電変換素子に前記第１のグループに含まれる１つの光電変換素子が隣接するように、前記基準の位置から所定の方向にずれた位置に配置され、
   前記第１のグループに含まれる各光電変換素子の受光面の上方には、それぞれ異なる色成分を透過する少なくとも３種類の分光フィルタのいずれかが形成され、
   前記第２のグループに含まれる各光電変換素子の受光面の上方には、光の輝度成分と相関のある分光特性を持つ輝度フィルタが形成された固体撮像素子。
2. 請求項１記載の固体撮像素子であって、
   前記第１のグループに含まれる各光電変換素子の検出感度が、前記第２のグループに含まれる各光電変換素子の検出感度よりも低くなっている固体撮像素子。
3. 請求項１記載の固体撮像素子であって、
   前記第１のグループに含まれる各光電変換素子の検出感度が、前記第２のグループに含まれる各光電変換素子の検出感度と略同一である固体撮像素子。
4. 請求項３記載の固体撮像素子であって、
   前記第１のグループに含まれる各光電変換素子の上方に形成されるカラーフィルタ及びマイクロレンズを、前記第２のグループに含まれる各光電変換素子の上方に形成されるカラーフィルタ及びマイクロレンズよりも大きくすることで、前記検出感度を略同一とした固体撮像素子。
5. 請求項１〜４のいずれか１項記載の固体撮像素子であって、
   前記分光フィルタが３種類であり、
   前記３種類の分光フィルタの各々の割合が２：１：１である固体撮像素子。
6. 請求項５記載の固体撮像素子であって、
   前記３種類の分光フィルタが、赤色の光を透過する分光フィルタと、緑色の光を透過する分光フィルタと、青色の光を透過する分光フィルタであり、
   前記３つの分光フィルタがベイヤー状に配列された固体撮像素子。
7. 請求項１〜６のいずれか１項記載の固体撮像素子であって、
   前記第１グループに含まれる光電変換素子と前記第２グループに含まれる光電変換素子のそれぞれの配列パターンが同一であり、前記配列パターンが格子状である固体撮像素子。
8. 請求項１〜７のいずれか１項記載の固体撮像素子であって、
   前記第１グループに含まれる光電変換素子と前記第２グループに含まれる光電変換素子とからそれぞれ独立に信号を読み出し可能に構成された固体撮像素子。
9. 請求項８記載の固体撮像素子と、
   前記固体撮像素子の前方に設けられた可動式のレンズと、
   前記固体撮像素子からの信号に基づいて前記レンズの焦点位置を調節する焦点調節手段とを備え、
   前記焦点調節手段は、前記焦点位置を調節するための前記固体撮像素子の駆動時、前記固体撮像素子の前記第２のグループに含まれる各光電変換素子のみから信号を読み出す駆動を行う撮像装置。

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