JP2011004318A - 撮像素子、電荷読み出し方法、撮像装置 - Google Patents

撮像素子、電荷読み出し方法、撮像装置 Download PDF

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Abstract

【課題】高精細化のため、多数の画素を微細化して形成した場合でも、画素の特性の低下がなく、画素特性を向上させることができる、撮像素子を提供する。また、そのような撮像素子を効率よく動作可能な、動作方法とその装置を提供する。
【解決手段】Ｇｒ画素とＧｂ画素を横方向に隣接して配置し、縦方向におけるこれらＧｒ画素とＧｂ画素の寸法が、横方向の寸法の２倍に配置する。緑カラーフィルタはこれらＧｒ画素とＧｂ画素に共通に用いる。電荷取出配線は、これらＧｒ画素とＧｂ画素の開口を塞がない位置に形成する。
【選択図】図８

Description

本発明は、たとえば、ＣＭＯＳイメージセンサ（ＣＩＳ）などの撮像素子に関する。特に、本発明は、微細化により多数の画素を形成した場合でも、所望の画素特性、たとえば、感度および蓄積電荷量（Ｑｓ）を向上させることができる、撮像素子に関する。
また、本発明は、かかる撮像素子からの電荷を読み出す方法と装置に関する。
さらに、本発明は、かかる撮像素子についてのデ・モザイク処理を行う方法と装置に関する。
さらに本発明は、上述した撮像素子を有する撮像装置に関する。
近年のＣＭＯＳイメージセンサなどの撮像素子では、画像の高精細化のため、所定の領域内おける多数の画素の形成と、そのための微細化が進んでいる。
撮像素子における画素のサイズが、たとえば、２μｍ以下に微細化が進むと、希望する画素特性を確保することが困難になりつつある。特に、感度と蓄積電荷量（Ｑｓ）は、相反する条件である、画素のサイズの縮小という物理的な（空間的な）制約を大きく受ける。すなわち、画素のサイズが縮小すれば、短時間に画素に入射する光量は少なくなるから、感度とＱｓとが低下する。とりわけ、感度低下が厳しい状況にある。その理由は後述する。
これまで、画素のサイズを縮小することによるＱｓの低下と感度低下を回避するため、撮像素子の構造の最適化や、集光構造の最適化を図ってきた（たとえば、特許文献１、２を参照）。
しかしながら、近年の微細化技術などで画素のサイズが光の波長の領域に近づく程度までに小さくなっており、画素に入射してくる（飛来してくる）光量自体の減少などに起因して、従来の手法による感度特性の向上を図ることが限界に近づいている。
従来のフォトダイオードへの集光能率を向上させる集光構造、たとえば、オンチップレンズ（ＯＣＬ）は、画素に入射される（飛来してくる）光量を最大限に取り込めるための画素の開口面積を極力大きくする（たとえば、特許文献３、４を参照）。
つまり、この方式は、画素内に占める配線の面積の低減や、同一画素サイズの画素間共有という方式であり、画素内のデータ取出用配線の本数や、使用するトランジスタの個数を減少させている。
また、フォトダイオードに入射してくる光量そのものを最大にするため、ＯＣＬ間の無効領域を低減するといった構造も試みられている。
従来技術の１例の詳細を添付図面を参照して述べる。
図１（Ａ）は、従来のＢａｙｅｒ配列のＲＧＢ（赤、緑、青）画素の配置の概要を示す図である。
Ｂａｙｅｒ方式の配列においては、赤Ｒ画素と緑Ｇｒ画素とを交互に配置したＲＧ行と、緑Ｇｂ画素と青Ｂ画素とを交互に配置したＧＢ行とが隣接して配置されている。
ここで、図１（Ａ）の画素構成から、横方向におけるＧｒ画素とＧｂ画素との相関がないことが理解される。
図１（Ｂ）は、図１（Ａ）に図解したＢａｙｅｒ配列のＲＧＢ画素のうち、隣接する４画素の配置を示したものである。
図１（Ｃ）〜（Ｅ）はそれぞれ、緑成分、赤成分、青成分の空間周波数特性を図解した図である。赤成分と青成分との空間周波数が、緑成分の空間周波数より劣る。
図２（Ａ）、（Ｂ）に、図１（Ａ）の構成をさらに具体化した画素の構成を示す。
図２（Ａ）は、部分平面図を示し、図２（Ｂ）は図２（Ａ）の一部の拡大図を示す。
白く丸い点線は、オンチップレンズ（ＯＣＬ）または集光構造を表している。
Ｒ画素、Ｂ画素、Ｇｒ画素、Ｇｂ画素を囲む四角は、Ｂａｙｅｒ方式の配列のＲＧＢ色のカラーフィルタ（ＣＦ）をそれぞれ示している。
各画素の上部にＣＦや、ＯＣＬあるいは集光構造が形成してある。
Ｂ画素、Ｒ画素、Ｇｒ画素、Ｇｂ画素の中心に、４分割されている四角で示した浮遊拡散部（ＦＤ：Floating Diffusion）が配置されている。すなわち、隣接する画素間を繋ぐための縦方向配線と横方向の配線を用いて画素間共有方式、たとえば、浮遊拡散部（ＦＤ）を用いた共有方式により、画素内の配線の本数を減少させている。
このように、この共有方式はＦＤを共有する画素共有方式である。
図２（Ｃ）は、画素を共有するため隣接する４個の画素を用いる様子を示す。
特開２００６−１５７９５３号公報 ＷＯ２００６／０３９４８６Ａ２ 特開２００８−９９０７３号公報 特開２００６−５４２７６号公報
近年の微細化技術などで画素のサイズが光の波長の領域に近づく程度までに小さくなっており、画素に入射してくる（飛来してくる）光量自体の減少などに起因して、従来の手法による感度特性の向上を図ることが限界に近づいている。
特に、微細化が進んで画素のサイズが光、たとえば、可視光の波長領域の近傍まで小さくなると、ＯＣＬまたは集光構造を用いても光の集光能力が低下する。
また、ＯＣＬまたは集光構造によって集光されたＰＤ受光面の上面での光スポットのサイズが画素のフォトダイオードの面積よりも大きくなり、集光された光をフォトダイオードに全部取り込むことができない。その結果、感度の低下が起こる。
以上から、多数の画素を微細化して形成した場合でも、画素の特性、たとえば、感度およびＱｓの低下がなく、画素特性を向上させることができる、撮像素子を提供することが望まれている。
また、そのような撮像素子を効率よく動作可能な、動作方法とその装置を提供することが望まれている。
上記課題を解決するため、本願発明者は鋭意研究した結果、下記の構想に至った。
（１）同じ画素サイズの画素間共有方式において、オンチップレンズ（ＯＣＬ）や集光構造を見直すことにより、フォトダイオード（ＰＤ）受光面での光スポットサイズを小さくし、かつ、その光スポットをフォトダイオード内に全部取り込む。
（２）まず、ＰＤ受光面での光スポットサイズを小さくするためには、ＯＣＬや集光構造の集光の能力を上げる必要がある。そのため、画素サイズよりも口径の大きなＯＣＬや集光構造をＰＤ受光面の上部に作り、これら集光能力を最大限に向上させる。
（３）また、ＰＤ受光面での光スポットサイズが大きくなってもＰＤ受光面でその光スポットを全部取り込める構造とする。そのため、画素間共有方式において同じＯＣＬや集光構造を有する画素間を繋ぐことにより、実効的なフォトダイオードの面積（ＰＤ受光面の面積）を拡大させ、光の損失を低減させ、微細画素においても光の損失を無くす。その結果、感度を向上させることができることが期待される。
本発明は上記技術思想と構想に基づいて発明された。
本発明によれば、第１緑画素と第２緑画素とが当該画素に蓄積された電荷を読みだす方向の第１方向に隣接して配置され、第１方向と直交する第２方向における前記第１緑画素と第２緑画素の寸法を、第１方向における前記第１緑画素と第２緑画素の寸法の２倍に形成した、撮像素子が提供される。
好ましくは、本発明の撮像素子は、第１緑画素と第２緑画素とが第１方向に隣接して配置され、前記第１方向と直交する第２方向における前記隣接する第１緑画素と前記第２緑画素の一方の側に、画素内の電荷蓄積手段から電荷を取り出す第１電荷取出部を挟んで、第１赤画素と第２青画素が配置され、前記第１方向と直交する第２方向における前記隣接する第１緑画素と前記第２緑画素の他方側に、画素内の電荷蓄積手段から電荷を取り出す第２電荷取出部を挟んで、第２赤画素と第２青画素が配置され、前記第２方向における前記隣接する第１緑画素と前記第２緑画素の寸法が、前記第１方向の寸法の少なくとも２倍あるように構成された、複数の赤、青、緑の画素を有する。
また好ましくは、前記隣接する第１緑画素と前記第２緑画素に共通に使用する寸法の緑カラーフィルタが形成されている。
好ましくは、前記第１赤画素と第２青画素、および、前記第２赤画素と第２青画素の前記第２方向の寸法が、前記第１方向の寸法の２倍ある。
また好ましくは、上記撮像素子において、前記第１緑画素、第２緑画素の配列位置を回避して、電荷蓄積手段から電荷取出のための第１方向配線及び第２方向配線が形成されている。
特定的には、前記第１方向において、前記隣接する第１の１対の第１緑画素と第２緑画素と、当該隣接する第１の１対の第１緑画素と第２緑画素に隣接する第２の１対の第１緑画素と第２緑画素との間に第１の配線が形成され、前記第２方向において、前記隣接する第１緑画素と第２緑画素と一方の側で隣接する前記第１赤画素と第２青画素との間、および、前記隣接する第１緑画素と第２緑画素と他方の側で隣接する前記第１赤画素と第２青画素との間に、それぞれ第２の配線が形成されている。
また本発明の撮像素子において、第１方向に２個の第１緑画素が隣接して配置され、第１方向と直交する第２方向において当該２個の第１緑画素と隣接して赤画素と第１緑画素が配置され、前記２個の第１緑画素と隣接し、前記赤画素と第１緑画素と対向する側の前記第１方向に、２個の第２緑画素が隣接して配置され、第２方向において当該２個の第２緑画素と隣接して赤画素と第２緑画素が配置されている。
また本発明によれば、１対の第１緑画素と第２緑画素とが電荷読み出し方向の第１方向に隣接して配置され、かつ、第１の１対の第１緑画素と第２緑画素と隣接させて、第２の１対の第１緑画素と第２緑画素とを隣接させて配置し、前記第１方向と直交する第２方向において、前記第１の１対の第１緑画素と第２緑画素と隣接させて第２の１対の第１緑画素と第２緑画素とを隣接させた位置の間に相当する位置に、第３の１対の隣接する第１緑画素と第２緑画素を配置させ、前記第１の方向において、当該第３の隣接する第１緑画素と第２緑画素の両側にそれぞれ、前記第２方向において隣接する赤画素と青画素とを配置し、前記第１の方向において、前記第２方向において隣接する第１の１対の第１緑画素と第２緑画素と、第３の１対の第１緑画素と第２緑画素との間に第１の配線が形成され、前記第２方向において、前記隣接する第１緑画素と第２緑画素の周囲に第２の配線が形成されている、撮像素子が提供される。
また本発明によれば、上記撮像素子について、前記撮像素子における電荷蓄積手段に蓄積された電荷は、電荷読み出し方向と直交する第２方向において、読み出し期間の第１の半分の期間において、奇数フィールドの電荷蓄積手段に電荷の蓄積が行われ、残りの第２の半分の期間において奇数フィールドの電荷蓄積手段に蓄積された電荷が読みだされ、読み出し期間の第１の半分の期間において、偶数フィールドの電荷蓄積手段に蓄積された電荷の読み出しが行われ、残りの第２の半分の期間において偶数フィールドの電荷蓄積手段に電荷の蓄積が行われる、撮像素子から読み出し方法と装置とが提供される。
さらに本発明によれば、上記撮像素子について、第１緑画素及び第２緑画素の周辺に配列された画素の電荷を用いて、デ・モザイク処理を行う方法と装置が提供される。
本発明によれば、上記撮像素子を有する撮像装置が提供される。
本発明によれば、高精細化のため、多数の画素を微細化して形成した場合でも、画素の特性の低下がなく、画素特性を向上させることができる、撮像素子を提供することができた。
また、本発明によれば、そのような撮像素子を効率よく動作可能な、動作方法とその装置を提供することができた。
図１（Ａ）は従来のＢａｙｅｒ配列のＲＧＢ（赤、緑、青）画素の配置の概要を示す図である。図１（Ｂ）は、図１（Ａ）に図解したＢａｙｅｒ配列のＲＧＢ画素のうち、隣接する４画素の配置を示した図であり、図１（Ｃ）〜（Ｅ）はそれぞれ緑成分、赤成分、青成分の空間周波数特性を図解した図である。 図２（Ａ）、（Ｂ）は、図１（Ａ）の構成をさらに具体化した画素の構成を示す図であり、図２（Ａ）は部分平面図であり、図２（Ｂ）は図２（Ａ）の一部の拡大図である。 図３は、本発明の固体撮像素子の実施の形態が適用される１例としての撮像装置の概略構成図である。 図４は、本発明の撮像素子の１例としてのＣＭＯＳイメージセンサの断面の概要を示す図である。 図５（Ａ）は、本発明の第１実施の形態の撮像素子概要を示す図であり、図５（Ｂ）は緑画素（Ｇｒ、Ｇｂ）の空間周波数を示す図であり、図５（Ｃ）は赤および青の空間周波数を示す図である。 図６は、図５（Ａ）に図解した画素の一部を拡大して図解した図である。 図７は、本発明の第２実施の形態の撮像素子を図解した図である。 図８（Ａ）、（Ｂ）は、本発明の第３実施の形態の撮像素子を図解した図である。 図９は、本発明の第４実施の形態の撮像素子を図解した図である。 図１０は、本発明の第５実施の形態の撮像素子を図解した図である。 図１１（Ａ）はＢａｙｅｒ配列の固体撮像素子におけるデータの読み出し方法を示した図であり、図１１（Ｂ）は、本発明の実施の形態のデータの読み出し方法を図解した図である。 図１２（Ａ）は、従来のデ・モザイク処理方法を図解した図であり、図１２（Ｂ）に本実施の形態のデ・モザイク処理方法を図解した図である。
以下、本発明の固体撮像素子とその固体撮像素子を用いた撮像装置の実施の形態を述べる。
尚、説明は以下の順序で行う。
１．撮像装置の構成
２．第１実施の形態
３．第２実施の形態
４．第３実施の形態
５．第４実施の形態
６．第５実施の形態
７．信号処理方法
＜撮像装置の構成＞
［撮像装置］
図３を参照して、本発明の撮像素子の実施の形態が適用される１例としての撮像装置の実施の形態を述べる。
本実施の形態の撮像装置１０は、たとえば、ディジタルカメラ、ビデオカメラなどとして用いられる。
撮像装置１０は、鏡筒に収容されている結像光学系１２と、撮像素子１４と、信号処理部１６と、液晶表示器などの画像表示部１８とを有する。
結像光学系１２は、複数のレンズと、これらレンズを移動させるモータを含む駆動系、シャッタなどにより構成され、信号処理部１６の制御により、ズーム処理などが行われ、被写体の映像を撮像素子１４に収束させる。
撮像素子１４は、下記に述べる本実施の形態の種々の撮像素子に相当し、結像光学系１２からの映像を示す光を光電変換して電気信号に変化する。具体的には、各画素に対応して設けられた各フォトダイオード（ＰＤ）に入射した光に相当する電荷を蓄積する。
信号処理部１６は、その詳細は後述するが、各画素に対応するＰＤに電荷を蓄積させる処理、ＰＤに蓄積された電荷を取り出す処理を行う。信号処理部１６はさらに、撮像素子１４から取り出した電荷を撮像信号として、記憶し、信号処理して画像表示部１８に出力し、結像光学系１２で捕捉した被写体の画像として表示させる。
ＰＤが、本発明の電荷蓄積手段に対応する。
［撮像素子の断面構造］
撮像装置１０において撮像素子１４として適用される本発明の撮像素子として、ＣＭＯＳイメージセンサ（ＣＩＳ）を例示して、その実施の形態を述べる。
図４を参照してＣＩＳ１４０の断面構造を述べる。
ＣＩＳ１４０は、半導体基板１４２に形成されたフォトダイオード（ＰＤ）受光部１４４と、遮光膜１４６と、カラーフィルタ（ＣＦ）と平坦化膜１４８と、オンチップレンズ（ＯＣＬ）１５０とを有する。
結像光学系１２からの収束光がＯＣＬ１５０で収束されてＣＦと平坦化膜１４８を経由してＰＤ受光部１４４に入射し、ＰＤ受光部１４４が入射された光量に応じた電荷を蓄積する。
以下、撮像素子１４の種々の実施の形態を述べる。
＜第１実施の形態＞
［固体撮像素子の構成］
図５（Ａ）は、本発明の第１実施の形態の撮像素子１４Ａの概要を示す図である。
図６は、図５（Ａ）に図解した画素の一部を拡大して図解した図である。
図５（Ａ）、図６において、隣接する画素間を繋ぐための縦方向配線と横方向の配線を用いて画素間共有方式、たとえば、浮遊拡散部（ＦＤ：Floating Diffusion) を用いた共有方式により、画素内の配線の本数を減少させている。すなわち、Ｂ画素、Ｒ画素、Ｇｒ画素、Ｇｂ画素の中心に、４分割されている四角で示した浮遊拡散部（ＦＤ）が配置されている。この共有方式はＦＤを共有する画素共有方式である。
白く丸い点線は、オンチップレンズ（ＯＣＬ）または集光構造を表している。
Ｒ画素、Ｂ画素、Ｇｒ画素、Ｇｂ画素を囲む四角は、Ｂａｙｅｒ方式の配列のＲＧＢ色のカラーフィルタ（ＣＦ）をそれぞれ示している。
各画素の上部にＣＦや、ＯＣＬあるいは集光構造が形成してある。
図５（Ａ）、図６に図解した画素配列を、図２（Ｃ）に図解した画素配列と比較すると、図５（Ａ）、図６に図解した画素配列は、図２（Ｃ）に図解した画素配列における２行分を上下反転させたものである。
換言すると、横方向において隣接するＧｒ画素（たとえば、第１の緑画素）と、Ｇｂ画素（たとえば、第２の緑画素）とのサイズについて述べると、縦方向のサイズが、横方向のサイズの２倍になっている。
図５（Ａ）、図６の図解のように、上部のＧｒ画素と下部のＧｒ画素とが隣り合う。また、Ｇｂ画素については、下２行分を上下反転させることにより、Ｇｒ画素と同様、Ｇｂ画素も隣り合う。したがって、Ｇｒ画素とＧｂ画素とが相関がある。
また、この画素配列は、フォトダイオード（ＰＤ）を共有した画素の上下、あるいは、左右に読み出しを行うため、Ｇｒ画素同士の相関が強い構成となっている。たとえば、補間処理時にこの相関を用いることにより、輪郭補正などを有利に行うことが可能な画素配列の構成となっている。
図５（Ａ）、図６に図解した上下反転構成によって変更されているのは、カラーフィルタ（ＣＦ）のみである。すなわち、Ｇｒ画素とＧｂ画素とに共通に、面積が２倍の大きな１個の緑ＣＦを用いている。
フォトダイオード（ＰＤ）や、オンチップレンズ（ＯＣＬ）あるいは集光構造には影響を及ぼさない。
図５（Ｂ）は緑画素（Ｇｒ、Ｇｂ）の空間周波数を示す図である。緑画素の空間周波数は、図１（Ｃ）を参照して述べたものと同じである。
図５（Ｃ）は赤および青の空間周波数を示す図である。赤および青の空間周波数は、図５（Ｂ）に図解した緑画素の空間周波数と同じであり、図１（Ｄ）、（Ｅ）に図解した空間周波数より優れている。
図５（Ａ）、図６に図解した、画素の上下反転構造によって、隣接するＧｒとＧｂ画素のＣＦは２画素分の大きさとなる。
２画素分の緑ＣＦの上にＯＣＬあるいは集光構造（以下、ＯＣＬについてのみ記す）を１つ設けることにより、ＯＣＬの集光能力を向上させることができる。
たとえば、１画素のサイズが、縦２μｍ×横２μｍの大きさの画素の上のＯＣＬと比べて、本実施の形態では、縦４μｍ×横２μｍのＯＣＬを形成させることが可能となる。その結果、集光量が増大し、感度が向上し、Ｑｓも向上する。
図５（Ａ）、図６は、上記の他、同色のＣＦの下に位置するフォトダイオード（ＰＤ）も共有させた構造を図解している。その結果、実効的なＰＤの面積が２倍になり、ＰＤに入射される光量が２倍になる。その結果、さらに、感度も２倍になる。
図５（Ａ）、図６の図解のように、同色カラーフィルタ（ＣＦ）の下にあるフォトダイオード（ＰＤ）に蓄積した電荷は、その上下に位置する４区画に区分された浮遊拡散部（ＦＤ）を介して読み出すことができる。
その電荷の読み出しには、たとえば、図３に図解した信号処理部１６において行う。その詳細は後述する。
図５、図６を参照して述べた第１実施の形態の固体撮像素子の特徴を纏めると下記になる。
（１）カラーフィルタ（ＣＦ）を２画素分設けることにより、たとえば、緑画素のＣＦの上のＯＣＬを２画素分大きくすることが可能になる。その結果、ＯＣＬの集光能力が向上する。
（２）同色のＣＦの下に位置するＰＤを、図５（Ａ）、図６に図解の画素配列における上下の画素間で共有することにより、実効的なＰＤの面積が２倍となり、感度も２倍となる。
（３）さらに、図５（Ａ）、図６に図解の画素配列における上下に位置する浮遊拡散部（ＦＤ）を介してＰＤに蓄積された電荷をそれぞれ読みだすことにより、Ｑｓも２倍になる。
（４）かりに上述した（１）の方法で形成したＯＣＬでは集光能力が十分ではない場合には、ＰＤ受光面における光スポットのサイズが大きくなる。しかしながら、上述した構造により、ＰＤの受光面積が２倍になっているので、集光能力の低下を補うことができる。
なお、第１実施の形態において、隣接するＧｒ画素とＧｂ画素のサイズを縦方向に２倍に大きくしている。しかしながら、本実施の形態の撮像素子は微細化により、１画素のサイズが相当小さいので、それに起因する分解能の低下には実質的に影響がなく、上述した効果による利点が勝る。
また、信号処理部１６の処理によって、周囲の画素のデータを用いることにより、解像度の低下を実質的に補うことができる。
＜第２実施の形態＞
［固体撮像素子の構成］
図７を参照して本発明の第２実施の形態の撮像素子を述べる。
図７において、第１実施の形態と同様、Ｇｒ画素とＧｂ画素を構成することはもとより、Ｂ画素とＲ画素も、Ｇ画素と同様に、縦方向に２倍のサイズに拡大する。
その結果、第２実施の形態の撮像素子は、第１実施の形態の構成で得られた上述した効果を、Ｂ画素とＲ画素にも適用される。すなわち、全ての画素から、第１実施の形態と同様の効果を得ることができる。
なお、第２実施の形態において、全ての画素のサイズが縦方向に２倍に大きくなっているが、本実施の形態の撮像素子は微細化により、１画素のサイズが相当小さいので、それに起因する分解能の低下には実質的に影響がなく、上述した効果による利点が勝る。
また、信号処理部１６の処理によって、周囲の画素のデータを用いることにより、解像度の低下を実質的に補うことができる。
＜第３実施の形態＞
［固体撮像素子の構成］
図８（Ａ）、（Ｂ）を参照して本発明の撮像素子の第３実施の形態を述べる。
図８（Ａ）は、複数の画素の配列を示す図であり、図８（Ｂ）はその一部の拡大図である。
素子分離を介して横方向に隣接している、Ｇｒ画素とＧｂ画素とは、１つの大きなカラーフィルタ（ＣＦ）を用いて形成することができる。
第３実施の形態は、画素共有方式の利点である配線の自由度を駆使した実施の形態を示しており、Ｇ（ＧｒとＧｂ）画素の上に配線が通らないという構造を用いることが可能となる。
その様子を、図８（Ａ）における縦・横に走る配線として図解している。この場合、配線によってＧｒ画素とＧｂ画素との開口部分が塞がれないので、Ｇｒ画素とＧｂ画素の開口面積を最大にすることが可能となる。
図８（Ａ）、（Ｂ）に図解の画素構造の利点は、横方向に緑画素が４個（１対のＧｒ画素とＧｂ画素が２個）配列されているから、同色のカラーフィルタ（ＣＦ）を４倍まで拡大させることが可能となる。その結果、緑ＣＦ上部におけるＯＣＬを４画素分とることが可能となる。そうすることによって、ＯＣＬの集光能力を最大限にいかすことができる。その結果、ＰＤ受光面での光スポットのサイズはさらに小さくなり、ＯＣＬ集光構造で集光させて光をＰＤ受光面まで全て集中させることができ、光の損失が生じない。
したがって、第３実施の形態の撮像素子は、感度とＱｓとがさらに向上する。
＜第４実施の形態＞
［固体撮像素子の構成］
図９を参照して本発明の第４実施の形態の撮像素子を述べる。
図９は、図１（Ａ）、図２（Ａ）に図解したＢａｙｅｒ配列から、図５（Ａ）、図６に図解したように、縦方向における上下の画素を反転した構成した撮像素子の実施の形態を示す。
第４実施の形態は、１個のＲ画素と１個のＢ画素に対して、６個のＧｒ、Ｇｂ画素を配列した構成を持つ。
このように、Ｇｒ、Ｇｂの画素の個数を、図１（Ａ）に図解したＢａｙｅｒ配列よりも多くすることにより、感度の向上を図ることができる。
＜第５実施の形態＞
［固体撮像素子の構成］
図１０を参照して本発明の第５実施の形態の撮像素子を述べる。
図１０は、第４実施の形態として述べた図９に図解の構造において、第２実施の形態として述べた図８に図解のように、Ｇｒ画素とＧｂ画素の上を配線が通らない構造を採用した実施の形態の撮像素子の構成を図解する。
第５実施の形態の効果は、基本的に、図８に例示した第３実施の形態と同様である。
すなわち、同色のカラーフィルタ（ＣＦ）を４倍まで拡大させることが可能となる。その結果、ＣＦ上部におけるＯＣＬを４画素分とることが可能となる。そうすることによって、ＯＣＬの集光能力を最大限にいかすことができるので、ＰＤ受光面での光スポットのサイズはさらに小さくなり、ＯＣＬで集光させて光をＰＤ受光面まで全て集中させることができ、光の損失が生じない。その結果、感度とＱｓとが向上する。
＜信号処理方法＞
［データの読み出し方法］
本発明の実施の形態における上下の画素を反転させた構造の撮像素子のデータの読み出し方法を述べる。
図１１（Ａ）はＢａｙｅｒ配列の固体撮像素子におけるデータの読み出し方法を示したものである。図１１（Ａ）に図解したデータ読み出し方法は、コラムの順に、順次、画素のデータが読みだされる、ノン・インターレース方式と同じ方法を採用している。
コラム順に読みだされる画素のデータは、マルチプレクサを介して、データの読み出しの順番を制御することができる。
図１１（Ｂ）を参照して、本発明の実施の形態のデータの読み出し方法を述べる。
Ｇｒ、Ｇｂ画素が浮遊拡散部（ＦＤ）を共有しているため、従来のノン・インターレース方式では上下に共有されたフォトダイオードに蓄積された電荷を読みだすことができない。
本発明の実施の形態においては、たとえば、図３に図解した撮像装置１０における信号処理部１６に設けたマルチプレクサ（ＭＵＸ）における処理を、図１１（Ｂ）に示したように、図１１（Ａ）の従来のノン・インターレース方式の処理とは異なる処理を行う。
すなわち、本実施の形態においては、上下に共有されたフォトダイオードに蓄積された電荷を読みだすためには、インターレース方式の処理を適用することになる。
なお、最終のデータの出力は、図１１（Ａ）に図解した従来方法と同じになる。
図１１（Ｂ）を参照して、たとえば、撮像装置１０内の信号処理部１６において行う、本実施の形態のウインターレース方式による電荷の読み出し方法を述べる。
（１）まず、偶数フィールド、たとえば、ｎと（ｎ＋２）のコラムに位置する画素の電荷を読みだす。
（２）次いで、奇数フィールド、たとえば、（ｎ＋１）と（ｎ＋３）のコラムに位置する画素に蓄積された電荷を読みだす。
以上の読み出しを反復する。
なお、上述した読み出し処理は、逆に行うこともできる。
このように、フレームレイトが、たとえば、１５ｆｐｓ（フレーム／秒）である場合について述べる。前半の７．５ｆｐｓにおいて、偶数フィールド、たとえば、ｎと（ｎ＋２）のコラムに位置する画素の電荷を読みだし、後半の７．５ｆｐｓにおいて、奇数フィールド、たとえば、（ｎ＋１）と（ｎ＋３）のコラムに位置する画素に蓄積された電荷を読みだす。
信号処理部１６において、このような方法でフォトダイオードに蓄積された電荷を読みだすことにより、偶数フィールドの（ｎ＋２）のコラムの画素の電荷が読みだされた後、空になったフォトダイオードに、残りの７．５ｆｐｓで電荷を蓄積することが可能となる。この期間にフォトダイオードに蓄積された電荷が次の７．５ｆｐｓの期間で読みだされる。
なお、上述した読み出し処理は、逆に行うこともできる。
上述した偶数フィールドの画素の電荷のデータと、奇数フィールドの画素の電荷のデータによって示される画像を組み合わせると、１枚の画像（１フレーム）の画報となる。
このような１枚の画像データは、たとえば、撮像装置１０の信号処理部１６において、フレームメモリに記憶され、画像表示部１８において撮像装置１０によって撮像した画像として表示される。
［デ・モザイク処理方法］
次に、デ・モザイク処理方法について述べる。
デ・モザイク処理方法には種々の方法が知られているが、基本的な方法は、周囲の画素が持っている情報からＧｒ画素が持っていると思われる青や赤の信号を生成することである。
図１２（Ａ）に従来のデ・モザイク処理方法を図解し、図１２（Ｂ）に本実施の形態のデ・モザイク処理方法を図解する。
図１２（Ａ）に図解のように、たとえば、３×３画素の処理の場合には真ん中のＧｒ画素は、周辺に位置するＧｂ画素、Ｂ画素およびＲ画素から、Ｇｒ画素のＲとＢを生成している。
図１２（Ｂ）はその処理内容を図解しており、基本的に、図１２（Ａ）に図解した処理と同様の処理が可能である。この処理は、たとえば、図３に図解した撮像装置１０における信号処理部１６において行う。
また図１２（Ｂ）に図解した本実施の形態の処理方法は、図１２（Ａ）に図解した処理に比べて、上下画素が同じ信号量を持つであろうと推察できる隣接画素の特性よりも比較的良好な情報を得ることが可能である。
また、図１２（Ｂ）において、黒線で囲んだＧｒ画素とＧｂ画素は同じ情報を持つ場合と持たない場合とがある。本実施の形態においては、そのＧｒ画素とＧｂ画素の信号量に基づいて輪郭補正を行うことが容易になる。つまり、図１２（Ａ）に図解した処理よりも、本実施の形態の図１２（Ｂ）に図解した処理は、上述したように、Ｇｒ画素とＧｂ画素とが強い相関を持っていることから、デ・モザイク処理も比較的簡単に行うことができる。
上述した本実施の形態の撮像素子の特徴と効果を下記に述べる。
（１）同色画素間のカラーフィルタ（ＣＦ）を１個にすることにより、ＣＦの占める面積が画素のサイズの２倍になる。従来の固体撮像素子と比較すると、ＣＦの上に形成するＯＣＬまたは集光構造よりも、その大きさが２倍になったことにより、ＣＦの上に形成するＯＣＬあるいは集光構造の集光能力を向上させることができる。
（２）上述した構成において、上下画素間のフォトダイオード（ＰＤ）を繋ぐことにより、実効的なＰＤの面積が２倍になる。ＰＤの面積が２倍になることにより、ＣＦの上のＯＣＬあるいは集光構造の集光能力が十分でもない場合ても、ＰＤ受光面で受光する光スポット（入射光量）が多くなる。
（３）データの読み出し方法、あるいは、デ・モザイク処理を工夫することにより、Ｂａｙｅｒ配列のＲＧＢ（赤、緑、青）と同様な処理が可能である。さらに、上下に繋がったフォトダイオードにより、これらの相関関係も適用することにより、比較的容易な信号処理が可能となる。
（４）画素共有方式において、配線の引回しを工夫することにより、ＯＣＬあるいは集光構造を画素サイズの４倍まで拡大することが可能となる。その結果、ＯＣＬあるいは集光構造の集光効率を最大限まで向上させることができる。
（５）電荷の読み出し方法は、インターレース方式を適用するが、その結果は、ノン・インターレース方式と代わらない。すなわち、読みだされた電荷の順序は、従来と同じであり、本実施の形態の撮像素子を用いたことによって、たとえば、信号処理部１６における信号処理を変更する必要はない。
以上のとおり、上述した撮像素子１４を撮像装置１０に適用すると、感度、Ｑｓの良好な画像を得ることができる。
上述した構想、すなわち、
（１）同じ画素サイズの画素間共有方式において、オンチップレンズ（ＯＣＬ）や集光構造を見直す。それにより、フォトダイオード（ＰＤ）受光面での光スポットサイズを小さくし、かつ、その光スポットをフォトダイオード内に全部取り込む。
（２）まず、ＰＤ受光面での光スポットサイズを小さくするためには、ＯＣＬや集光構造の集光の能力を上げる必要がある。そのため、画素サイズよりも口径の大きなＯＣＬや集光構造をＰＤ受光面の上部に作り、これら集光能力を最大限に向上させる。
（３）また、ＰＤ受光面での光スポットサイズが大きくなってもＰＤ受光面でその光スポットを全部取り込める構造とする。そのため、画素間共有方式において同じＯＣＬや集光構造を有する画素間を繋ぐことにより、実効的なフォトダイオードの面積（ＰＤ受光面の面積）を拡大させ、光の損失を低減させ、微細画素においても光の損失を無くす。
を実現した結果、固体撮像素子の感度とＱｓを向上させることができた。
本発明の実施の形態に際しては、上述した実施の形態に限定されず、上述した実施の形態の外縁を含み、本発明として記載した技術思想に含まれる種々の変形態様を採用することができる。
撮像素子１４の実施の形態として、ＣＭＯＳイメージセンサ（ＣＩＳ）を例示したが、本発明の実施の形態に際しては、ＣＩＳに限らず、上記同様の種々の撮像素子に適用することができる。
本発明の撮像素子について、たとえば、縦横のｍ個の画素から同色のｎ個の画素（ｍ＞ｎ）のデータを、所定の間隔をずらしながら画素加算を行う、カラーコーティングを行うことができる。
また本発明の撮像素子について、フォトダイオードが検出した光信号に関連づけて、たとえば、信号処理部１６と結像光学系１２とを用いて、選択的に、収束処理と修正を行うことができる。
１０…撮像装置、１２…結像光学系、１４…撮像素子、１６…信号処理部、１８…画像表示部、ＰＤ…フォトダイオード、ＦＤ…浮遊拡散部、ＣＦ…カラーフィルタ、ＯＣＬ…オンチップレンズあるいは集光構造

Claims (15)

  1. 第１緑画素と第２緑画素とが当該画素に蓄積された電荷を読みだす方向の第１方向に隣接して配置され、
    第１方向と直交する第２方向における前記第１緑画素と第２緑画素の寸法を、第１方向における前記第１緑画素と第２緑画素の寸法の２倍に形成した、
    撮像素子。
  2. 第１緑画素と第２緑画素とが第１方向に隣接して配置され、
    前記第１方向と直交する第２方向における前記隣接する第１緑画素と前記第２緑画素の一方の側に、画素内の電荷蓄積手段から電荷を取り出す第１電荷取出部を挟んで、第１赤画素と第２青画素が配置され、
    前記第１方向と直交する第２方向における前記隣接する第１緑画素と前記第２緑画素の他方側に、画素内の電荷蓄積手段から電荷を取り出す第２電荷取出部を挟んで、第２赤画素と第２青画素が配置され、
    前記第２方向における前記隣接する第１緑画素と前記第２緑画素の寸法が、前記第１方向の寸法の少なくとも２倍ある、
    ように構成された、複数の赤、青、緑の画素を有する、
    請求項１に記載の撮像素子。
  3. 前記隣接する第１緑画素と前記第２緑画素に共通に使用する寸法の緑カラーフィルタが形成されている、
    請求項２に記載の撮像素子。
  4. 前記第１赤画素と第２青画素、および、前記第２赤画素と第２青画素の前記第２方向の寸法が、前記第１方向の寸法の２倍ある、
    請求項２に記載の撮像素子。
  5. 前記隣接する第１緑画素と前記第２緑画素に共通に使用する寸法の緑カラーフィルタが形成されている、
    請求項４に記載の撮像素子。
  6. 入射光から見て、前記カラーフィルタの前段に集光手段が形成されている、
    請求項１〜５のいずれかに記載の撮像素子。
  7. 請求項１〜５のいずれかに記載の撮像素子において、
    前記第１緑画素、第２緑画素の配列位置を回避して、第１方向配線及び第２方向配線が形成されている、
    撮像素子。
  8. 前記第１方向において、前記隣接する第１の１対の第１緑画素と第２緑画素と、当該隣接する第１の１対の第１緑画素と第２緑画素に隣接する第２の１対の第１緑画素と第２緑画素との間に第１の配線が形成され、
    前記第２方向において、前記隣接する第１緑画素と第２緑画素と一方の側で隣接する前記第１赤画素と第２青画素との間、および、前記隣接する第１緑画素と第２緑画素と他方の側で隣接する前記第１赤画素と第２青画素との間に、それぞれ第２の配線が形成されている、
    請求項７に記載の撮像素子。
  9. 第１方向に２個の第１緑画素が隣接して配置され、第１方向と直交する第２方向において当該２個の第１緑画素と隣接して赤画素と第１緑画素が配置され、
    前記２個の第１緑画素と隣接し、前記赤画素と第１緑画素と対向する側の前記第１方向に、２個の第２緑画素が隣接して配置され、第２方向において当該２個の第２緑画素と隣接して赤画素と第２緑画素が配置されている、
    請求項８に記載の撮像素子。
  10. １対の第１緑画素と第２緑画素とが電荷読み出し方向の第１方向に隣接して配置され、かつ、第１の１対の第１緑画素と第２緑画素と隣接させて、第２の１対の第１緑画素と第２緑画素とを隣接させて配置し、
    前記第１方向と直交する第２方向において、前記第１の１対の第１緑画素と第２緑画素と隣接させて第２の１対の第１緑画素と第２緑画素とを隣接させた位置の間に相当する位置に、第３の１対の隣接する第１緑画素と第２緑画素を配置させ、
    前記第１の方向において、当該第３の隣接する第１緑画素と第２緑画素の両側にそれぞれ、前記第２方向において隣接する赤画素と青画素とを配置し、
    前記第１の方向において、前記第２方向において隣接する第１の１対の第１緑画素と第２緑画素と、第３の１対の第１緑画素と第２緑画素との間に第１の配線が形成され、
    前記第２方向において、前記隣接する第１緑画素と第２緑画素の周囲に第２の配線が形成されている、
    撮像素子。
  11. 請求項１〜１０のいずれかに記載の撮像素子について、
    前記撮像素子における電荷蓄積手段に蓄積された電荷は、電荷読み出し方向と直交する第２方向において、
    読み出し期間の第１の半分の期間において、奇数フィールドの電荷蓄積手段に電荷の蓄積が行われ、残りの第２の半分の期間において奇数フィールドの電荷蓄積手段に蓄積された電荷が読みだされ、
    読み出し期間の第１の半分の期間において、偶数フィールドの電荷蓄積手段に蓄積された電荷の読み出しが行われ、残りの第２の半分の期間において偶数フィールドの電荷蓄積手段に電荷の蓄積が行われる、
    電荷読み出し方法。
  12. 請求項１〜１０のいずれかに記載の撮像素子に接続され、
    前記撮像素子における電荷蓄積手段に蓄積された電荷は、電荷読み出し方向と直交する第２方向において、
    読み出し期間の第１の半分の期間において、奇数フィールドの電荷蓄積手段に電荷の蓄積が行われ、残りの第２の半分の期間において奇数フィールドの電荷蓄積手段に蓄積された電荷が読みだされ、
    読み出し期間の第１の半分の期間において、偶数フィールドの電荷蓄積手段に蓄積された電荷の読み出しが行われ、残りの第２の半分の期間において偶数フィールドの電荷蓄積手段に電荷の蓄積が行われる、
    電荷読み出し装置。
  13. 請求項１〜１０のいずれかに記載の撮像素子について、
    前記第１緑画素及び第２緑画素の周辺に配列された画素の電荷を用いて、デ・モザイク処理を行う方法。
  14. 請求項１〜１０のいずれかに記載の撮像素子に接続され、
    前記第１緑画素及び第２緑画素の周辺に配列された画素の電荷を用いて、デ・モザイク処理を行う装置。
  15. 請求項１〜１０に記載の撮像素子と、
    請求項１２に記載の電荷読み出し装置と
    を有する撮像装置。
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