JP2009055273A - 固体撮像素子 - Google Patents

Abstract

【課題】偽色情報を用いず、被写体の色が偏っていても撮像画像の輝度や解像度に実際との差異が生ずることがなく、解像度の低下やノイズの発生のない固体撮像素子を、大きなスペースを必要とせずに実現する。
【解決手段】固体撮像素子１０は、縦横に配列された複数のフォトダイオードを備えた半導体基板１２と、前記複数のフォトダイオードの入射側に設けられた複数のチップレンズ１３が設けられたレンズ板１４と、前記複数のフォトダイオードと前記複数のチップレンズとの間に設けられたＲＧＢのカラーフィルタとＷフィルタを備えたフィルタ板２０と、フィルタ板２０を縦あるいは横に前記フォトダイオードの１間隔分移動させる４つのピエゾ素子２２，２４を備える。前記フィルタ板２０は、１つの色のフィルタに対して縦横斜めに同じ色のフィルタが配置されないように、奇数行にＢＷが偶数行にＧＲが配列され、一体に形成されている。
【選択図】図３

Description

本発明はカラー画像を撮像する固体撮像素子に係り、特に、偽色が発生しない単板式の固体撮像素子に関する。

デジタルカメラに用いられる固体撮像素子の多くは、半導体基板上に縦横に配列形成されたフォトダイオードの夫々の表面に、赤色（以下、Ｒと略す），緑色（以下、Ｇと略す），青色（以下、Ｂと略す）のいずれかのカラーフィルタが設けられている単板式の固体撮像素子である。Ｒのカラーフィルタ（以下、Ｒフィルタと略す）はＲの光を透過し、その下に設けられているフォトダイオードはＲ色の受光光量に応じた電荷を励起し、この電荷が垂直転送路に読み出され、固体撮像素子から出力される。同様に、Ｇのカラーフィルタ（以下、Ｇフィルタと略す）はＧの光を透過し、このＧの受光光量に応じた電荷が固体撮像素子から出力され、Ｂのカラーフィルタ（以下、Ｂフィルタと略す）はＢの光を透過し、Ｂの受光光量に応じた電荷が固体撮像素子から出力される。

固体撮像素子に用いられるカラーフィルタは様々な配列が考案されてきたが、市松模様にＧを配置し、一行置きにＧの間にＲとＢを配置するベイヤー方式が広く使われている。奇数行に「Ｒ，Ｇ，Ｒ，Ｇ，…」と並び、偶数行に「Ｇ，Ｂ，Ｇ，Ｂ，…」と並んでおり、Ｇの光量に応じた信号電荷を読み出すフォトダイオードの数が、ＲやＢの信号電荷を読み出すフォトダイオードの数の２倍になっている。例えば６００万画素の固体撮像素子の場合、Ｇは３００万画素、ＲとＢは１５０万画素である。

固体撮像素子の後段に設けられる画像処理装置は、固体撮像素子から出力された各信号電荷量に基づき撮像画像を再現することになるが、このとき、例えば、Ｇフィルタの位置におけるＧの受光光量（これは対応するフォトダイオードから読み出された信号電荷量として分かる。）の他に、このＧフィルタの位置で受光したであろうＲの受光光量を、周りのＲフィルタを持ったフォトダイオードの信号電荷量から推定演算し、Ｇフィルタの位置で受光したであろうＢの受光光量を、周りのＢフィルタを持ったフォトダイオードの信号電荷量から推定演算し、各画素（フォトダイオード）位置におけるＲ，Ｇ，Ｂ３色の色と輝度を再現することで、撮像画像を得ている。このように情報として本来そこにはない色（偽色）を推定演算によって作成すると、色収差やノイズの原因となり好ましくない。

下記特許文献１には、半導体基板上に縦横に配列形成されたフォトダイオードが設けられた固体撮像素子の前に、１つ１つが固体撮像素子の全てのフォトダイオードを覆う大きさのＲＧＢのカラーフィルタが環状に配列されて配置され、この環状に配列されたＲＧＢのカラーフィルタが回転して、その回転中心側に配置された前記固体撮像素子に次々とＲＧＢのカラーフィルタを通した光を当てることで、偽色のない画像情報を得るＣＣＤカラーカメラが記載されている。
特開平０４−１５１９９１号公報

単板式の固体撮像素子を用いると、被写体の色が偏っていた場合には、撮像画像の輝度や解像度が異なってしまうという問題がある。例えばＧの被写体を撮像した場合、Ｇに感光するのはＧフィルタを持ったフォトダイオードだけであるため、Ｇの画像の最大解像度は、Ｇフィルタを持ったフォトダイオードの数で決まってしまう。従って、Ｒの被写体を撮像した画像の最大解像度は、Ｇの被写体を撮像して得られる最大解像度に対して１／２に劣化してしまう。これを前述の推定演算によって補う偽色による情報では解像度や輝度に誤差が発生する。

本発明は、偽色の算出による方法を用いず、被写体の色が偏っていても撮影画像の輝度や解像度に実際との差異が生じることがなく、解像度の低下やノイズの発生のない固体撮像素子を、大きなスペースを必要とせずに実現し提供することを目的とする。

本発明による固体撮像素子は、縦横に配列された複数のフォトダイオードと、複数のフォトダイオードの入射側に設けられた複数のチップレンズと、前記複数のフォトダイオードと前記複数のチップレンズとの間に設けられた少なくとも３種類のカラーフィルタと、前記カラーフィルタを、前記フォトダイオードの配列の１間隔分の寸法だけ、縦および横に移動可能とした駆動装置とを備える。

前記カラーフィルタは、３種類のカラーフィルタの他に１種類の輝度フィルタが一体に形成され、１つのフィルタに対して縦横斜めに同じ種類のフィルタが配置されないようになっている。前記３種類のカラーフィルタは、ＲＧＢ、あるいはＹＭＣであり、輝度フィルタは、輝度と相関関係のある分光特性を持った透明フィルタ、またはＮＤフィルタ、または白色フィルタ、またはグレーフィルタである。

前記駆動装置は、圧電素子、例えばピエゾ素子であり、電圧を加えることによって伸縮し、前記フィルタを縦または横、あるいは縦横両方に移動させることができる。

本発明による固体撮像素子は、設けられた全てのフォトダイオードの１つ１つから、被写体光のＲＧＢカラー情報と輝度情報とを得て出力するものであるから、１つの色の実際の画素数が総画素数の数分の一といったものではなく、ＲＧＢ全てについて総画素数と同じ数だけの情報が得られる。このように推定演算による偽色の情報を用いることがないので、解像度の低下やノイズの発生はなく、しかも大きなスペースを必要とせずに実現することができる。もちろん、三板式ではないので分光のための光学系は必要ない。

また、固体撮像素子の後段には画像処理装置が設けられ、固体撮像素子から出力された各信号電荷から撮像画像を再現するが、本発明による固体撮像素子は、被写体の色情報に左右されない輝度情報を検出する専用画素すなわちＷフィルタを持っているため、被写体の色が偏っていた場合でも、輝度の画像解像度が被写体の色に左右されて見づらくなることはない。

以下、本発明の実施形態である固体撮像素子について、図面を参照して説明する。図１および図２に示すように、本発明による固体撮像素子１０は、縦横に配列された複数のフォトダイオード１１を有する半導体基板１２と、同じく縦横に配列され前記複数のフォトダイオード１１のそれぞれに被写体像を結像させる複数のチップレンズ１３を有するレンズ板１４と、同じく縦横に配列されたＲフィルタ１５、Ｇフィルタ１６、Ｂフィルタ１７および白色（以下、Ｗと略す）フィルタ（輝度フィルタ）１８を備えたフィルタ板２０が、ケース２１に収められ、ケース２１には前記フィルタ板２０を縦横に可動させる駆動装置としてのピエゾ素子２２，２３，２４，２５が取り付けられている。

前記フィルタ板２０は、半導体基板１２と前記レンズ板１４の間に配置される。前記フィルタ板２０に設けられたＲＧＢＷのフィルタ１５，１６，１７，１８は、１つのフィルタに対して縦横斜めで隣接する８つのフィルタは、同じ種類のフィルタにならない配列となっている。例えば、奇数行は「Ｂ，Ｗ，Ｂ，Ｗ，…」と並び、偶数行は、「Ｇ，Ｒ，Ｇ，Ｒ，…」と並ぶ。こうすると、Ｒフィルタ１５の周囲は、左右（横）にＧフィルタ１６、上下（縦）にＷフィルタ１８、斜めにＢフィルタ１７となる。前記フィルタ板２０に配列されたＲＧＢＷのフィルタの列（図では９×９）は、半導体基板１２に配列されたフォトダイオード１１の列（図では８×８）に対して、縦横ともに１列多く設けられている。例えば、フォトダイオード１１が２５００×２５００で、フィルタが２５０１×２５０１のようになっている。

Ｗフィルタ１８は、輝度情報と相関のある分光特性を持ったフィルタすなわち輝度フィルタといえるものであり、ＮＤフィルタや、透明フィルタ、グレーのフィルタ等も該当する。あるいは、ＩＲフィルタや補正用フィルタを用いても良い。

Ｒフィルタ１５は赤色の光を透過し、その下に設けられているフォトダイオードは赤色の受光光量に応じた電荷を励起し、この電荷が垂直転送路（図示せず）に読み出され、固体撮像素子１０から出力される。同様に、Ｇフィルタ１６は緑色の光を透過し、この緑色の受光光量に応じた電荷が固体撮像素子から出力され、Ｂフィルタ１７は青色の光を透過し、青色の受光光量に応じた電荷が固体撮像素子１０から出力される。

図３に示すように、フィルタ板２０は、横方向をピエゾ素子２２，２４によって、縦方向をピエゾ素子２３，２５によって挟まれた状態になる。ピエゾ素子２２〜２５は、印加電圧を変えることによって伸縮を交互に繰り返すことが可能である。ピエゾ素子２２と２４、２３と２５はそれぞれ一対として作動する。図示した状態は、ピエゾ素子２２と２３が縮んだ状態であり、ピエゾ素子２４と２５が伸びた状態となっている。この状態で、ピエゾ素子２２と２４の印加電圧を変化させると、ピエゾ素子２２と２４の伸縮状態が逆になる。これによって、フィルタ板２０は、横に１ピッチ分移動して、フォトダイオード１１の上に配置されたカラーフィルタの色が変化する。例えばＢであったフォトダイオード１１の上はＷとなり、ＷであったところはＢ、ＧであったところはＲ、ＲであったところはＧとなる。

ピエゾ素子２３と２５の印加電圧を変化させると、ピエゾ素子２３と２５の伸縮状態が逆になり、フィルタ板２０は縦に１ピッチ分移動する。フォトダイオード１１の上に配置されたカラーフィルタの色は、例えばＢであったところはＧに、ＧであったところはＢ、ＷであったところはＲ、ＲであったところはＷとなる。

全てのピエゾ素子の印加電圧を変化させると、ピエゾ素子２２と２３が伸びた状態となり、ピエゾ素子２４と２５が縮んだ状態となる。これによって、フィルタ板２０は、縦と横に１ピッチ分移動して、例えばＢであったところはＲに、ＲであったところはＢ、ＷであったところはＧ、ＧであったところはＷとなる。こうして、ＢであったところはＲ、Ｇ、Ｗのどれにも変えることができる。Ｒ、Ｇ、Ｗであったところも同様である。

次に、本発明による固体撮像素子１０の作用について説明する。図４に示すように、ケース２１に取り付けられた半導体基板１２の任意の位置にあるフォトダイオード１１ａの上はＢフィルタ１７ａとなっている。

図５に示すように、フォトダイオード１１ａの上のフィルタがＢフィルタ１７ａであるときは、ピエゾ素子２２と２３が縮んだ状態で、ピエゾ素子２４と２５が伸びた状態になっており、フィルタ板１４は図中左上に寄っている。半導体基板１２に設けられたフォトダイオード１１の列は、フィルタ板２０に設けられたカラーフィルタの列は縦横ともに１列づつ多く設けられているので、フィルタ板１４の最も左の１列と最も上の１列にあるカラーフィルタの下には、フォトダイオード１１がない。

図６に示すように、それぞれのフォトダイオード１１には、それぞれのカラーフィルタが対応する。前記フォトダイオード１１ａの上にはＢフィルタ１７ａが配置されているので、前記チップレンズ１３に入射した光がＢフィルタ１７ａを通ってフォトダイオード１１ａに結像し、フォトダイオード１１ａはＢの受光光量に応じた電荷を励起して、この電荷が垂直転送路に読み出され、固体撮像素子１０から出力される。

図７に示すように、ピエゾ素子２３と２５の印加電圧を変化させ、ピエゾ素子２３と２５の伸縮状態を逆にすると、フィルタ板２０は下（縦）にフォトダイオード１１の１ピッチ分移動する。フォトダイオード１１ａの上に配置されたカラーフィルタはＢフィルタ１７ａからＧフィルタ１６ａに変わる。

図８に示すように、前記フォトダイオード１１ａの上のカラーフィルタはＧフィルタ１６ａとなり、前記チップレンズ１３に入射した光がＧフィルタ１６ａを通ってフォトダイオード１１ａに結像し、フォトダイオード１１ａはＧの受光光量に応じた電荷を励起して、この電荷が垂直転送路に読み出され、固体撮像素子１０から出力される。これで、フォトダイオード１１ａの位置におけるＢとＧの情報量が固体撮像素子１０から出力されたことになる。

次に、図９に示すように、ピエゾ素子２２と２４の印加電圧を変化させ、ピエゾ素子２２と２４の伸縮状態を逆にすると、フィルタ板２０は右（横）に１ピッチ分移動して、フォトダイオード１１の上にＲフィルタ１５ａがくる。フォトダイオード１１ａの上のカラーフィルタはＧフィルタ１６ａからＲフィルタ１５ａに変わる。

図１０に示すように、前記フォトダイオード１１ａの上のカラーフィルタはＲフィルタ１５ａとなり、前記チップレンズ１３に入射した光がＲフィルタ１５ａを通ってフォトダイオード１１ａに結像し、フォトダイオード１１ａはＲの受光光量に応じた電荷を励起して、この電荷が垂直転送路に読み出され、固体撮像素子１０から出力される。これで、フォトダイオード１１ａの位置におけるＢＧＲ三色の情報量が固体撮像素子１０から出力されたことになる。

図１１に示すように、更にピエゾ素子２３と２５の印加電圧を変化させ、ピエゾ素子２３と２５の伸縮状態を元に戻すと、フィルタ板２０は上（縦）に１ピッチ分移動して、フォトダイオード１１の上にＷフィルタ１８ａがくる。フォトダイオード１１ａの上のフィルタはＲフィルタ１５ａから輝度フィルタのＷフィルタ１８ａに変わる。

図１２に示すように、前記フォトダイオード１１ａの上のフィルタがＷフィルタ１８ａとなり、前記チップレンズ１３に入射した光がＷフィルタ１８ａを通ってフォトダイオード１１ａに結像し、フォトダイオード１１ａはＷの受光光量に応じた電荷を励起して、この電荷が垂直転送路に読み出され、固体撮像素子１０から出力される。Ｗフィルタ１８ａを通した光の情報をカラー情報に加えることで、色の影響を受けない輝度情報を得ることができる。

以上のように固体撮像素子１０は、４回の露光によるデーターによって、１画素に相当するフォトダイオード１１ａのＢＧＲ三色のカラー情報量と輝度情報量が出力されたことになる。このように半導体基板１２における全てのフォトダイオード１１からＢＧＲ三色のカラー情報量と輝度情報量が出力される。

前記実施形態は、カラーフィルタの配列を、奇数行は「Ｂ，Ｗ，Ｂ，Ｗ，…」と並び、偶数行は、「Ｇ，Ｒ，Ｇ，Ｒ，…」と並ぶようにしたが、これに限るものではなく、適当な配列とすることに問題はない。

前記実施形態は、カラーフィルタとしてＲＧＢを、輝度フィルタとしてＷを用いたが、これに限るものではなく、カラーフィルタとしてイエロー（Ｙ）、マゼンタ（Ｍ）、シアン（Ｃ）を、輝度フィルタとしてグレーフィルタを用いても良い。

前記実施形態は、前記フィルタ板２０に配列されたＲＧＢＷのフィルタの列（図では９×９）を、半導体基板１２に配列されたフォトダイオード１１の列（図では８×８）より、縦横ともに１列多く設けたが、２列、３列あるいは相当数多く設けても良いし、または、どちらも同じ数にしても良い。

前記実施形態は、フィルタ板２０の駆動装置としてピエゾ素子を用いたが、他の圧電素素子でも良いし、圧電素子以外の駆動装置を用いても良い。

本発明による固体撮像素子の外観を表わす斜視図である。 分解した固体撮像素子の外観を表わす斜視図である。 固体撮像素子の断面図である。 フォトダイオードとカラーフィルタの位置を説明する図である。 カラーフィルタが左上にある時の位置を説明する図である。 図５の時のフォトダイオードに入射する光の色を説明する図である。 カラーフィルタが左下にある時の位置を説明する図である。 図７の時のフォトダイオードに入射する光の色を説明する図である。 カラーフィルタが右下にある時の位置を説明する図である。 図９の時のフォトダイオードに入射する光の色を説明する図である。 カラーフィルタが右上にある時の位置を説明する図である。 図１１の時のフォトダイオードに入射する光の色を説明する図である。

符号の説明

１０ 固体撮像素子
１１ フォトダイオード
１２ 半導体基板
１３ チップレンズ
１４ レンズ板
１５ Ｒフィルタ（カラーフィルタ）
１６ Ｇフィルタ（カラーフィルタ）
１７ Ｂフィルタ（カラーフィルタ）
１８ Ｗフィルタ（輝度フィルタ）
２０ フィルタ板
２１ ケース
２２〜２５ ピエゾ素子（駆動装置）

Claims (4)

1. 縦横に配列された複数のフォトダイオードと、
   前記複数のフォトダイオードの入射側に設けられた複数のチップレンズと、
   前記複数のフォトダイオードと前記複数のチップレンズとの間に設けられた少なくとも３種類のカラーフィルタと、
   前記カラーフィルタを、前記フォトダイオードの配列の１間隔分の寸法だけ、縦および横に移動可能とした駆動装置と、
   を備えたことを特徴とする固体撮像素子。
2. 前記カラーフィルタは、
   ３種類のカラーフィルタと１種類の輝度フィルタが一体に形成され、
   １つのフィルタに対して同じ種類のフィルタが縦横斜めに隣接して配置されないことを特徴とする請求項１記載の固体撮像素子。
3. 前記３種類のカラーフィルタの色は、赤色、緑色、青色、あるいは黄色、マゼンタ、シアンの何れかの組み合わせであり、
   輝度フィルタは、輝度と相関関係のある分光特性を持った透明フィルタ、またはＮＤフィルタ、または白色フィルタ、またはグレーフィルタであることを特徴とする請求項１または２記載の固体撮像素子。
4. 前記駆動装置は、圧電素子であることを特徴とする請求項１ないし３いずれか記載の固体撮像素子。

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