JP4448889B2

JP4448889B2 - 撮像素子及び撮像装置

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Publication number: JP4448889B2
Application number: JP2009067933A
Authority: JP
Inventors: 和田　　哲
Original assignee: Fujifilm Corp
Current assignee: Fujifilm Corp
Priority date: 2008-04-01
Filing date: 2009-03-19
Publication date: 2010-04-14
Anticipated expiration: 2029-03-19
Also published as: JP2009268078A

Description

本発明は、複数の色のカラーフィルタを配列してなる撮像素子、及び、該撮像素子を用いてカラー画像を生成する撮像装置に関する。

従来のデジタルスチルカメラやデジタルビデオカメラなどの撮像装置は、例えば、複数の色を所定のカラーパターンで配列してなるカラーフィルタを備えた固体撮像素子をイメージセンサとして用いる構成を有している。カラーフィルタとしては、Ｒ（赤）、Ｇ（緑）、Ｂ（青）のフィルタを配列したものがある。カラーフィルタを有する撮像素子や撮像装置としては、例えば、下記特許文献に示すものがある。

特許文献１の撮像装置は、単板型のカラー撮像装置において、５色以上のマルチバンド用のカラーフィルタを備えた構成である。

特許文献２は、波長選択性がことなる複数種類のフィルタのうち何れかのフィルタが各画素位置に割り当てられたカラーフィルタであって、カラーフィルタの色Ｃ１が市松状に配置され、他の色Ｃ２，Ｃ３，Ｃ４，Ｃ５がＣ１の存在しない位置にランダムに配置されている。

特開２００５−２８６６４９号公報特開２００７−２５１３９３号公報

ところで、特許文献１の撮像装置では、６色のカラーフィルタを用いることで色再現性を向上することができるが、原色に近似される画素同士が離間している。このため、原色の情報が画素間の相関性が低くなることにより精度が落ちてしまう。また、原色に近似される画素間を利用したダイナミックレンジの拡大も同様に精度が落ちる点で改善の余地があった。
さらに、高感度撮影では画素加算が有効であるが、原色に近似される画素同士を加算すると、画素同士が離間しているため、偽信号など画質低下が発生してしまう。

本発明は、上記事情に鑑みてなされたもので、その目的は、色再現性を向上させるとともに、ダイナミックレンジを拡大できる撮像素子及び撮像装置を提供することにある。

本発明の上記目的は、下記構成によって達成される。
（１）入射光に対して異なる波長選択性を有する画素部を少なくとも４種類備える撮像素子であって、
複数の前記画素部が、隣接する２種類の画素部からなる画素部対を含み、前記画素部対は異なる波長選択性を持ち、かつ、それぞれの波長選択範囲を合わせた範囲が３原色のうち１つの波長選択範囲と略同一となる異色画素部対を少なくとも１つ含み、前記画素部対ごとに加算された画素の配列がベイヤー配列となる撮像素子。
（２）入射光に対して異なる波長選択性を有する画素部を少なくとも４種類備える撮像素子であって、
複数の前記画素部が、隣接する２種類の画素部からなる画素部対を含み、前記画素部対は異なる波長選択性を持ち、かつ、それぞれの波長選択範囲を合わせた範囲が３原色のうち１つの波長選択範囲と略同一となる異色画素部対を少なくとも１つ含み、前記異色画素部対が３種類であり、該異色画素部対の波長選択範囲の和がそれぞれ３原色に対応し、全体として６種類の波長選択範囲を有する画素部を備える撮像素子。
（３）前記異なる波長選択性は波長選択範囲の中心が異なる（１）又は（２）に記載の撮像素子。
（４）前記異なる波長選択性は波長選択範囲の幅が異なる（１）又は（２）に記載の撮像素子。
（５）前記画素部対が、前記異色画素部対と、波長選択範囲の中心が同一である同色画素部対とから構成される（１）から（４）のいずれか１つに記載の撮像素子。
（６）前記画素部が、波長選択フィルタを含み、該波長選択フィルタによって該画素部の波長選択性が規定される（１）から（５）のいずれか１つに記載の撮像素子。
（７）前記画素部が、光電変換部を含み、該光電変換部によって該画素部の波長選択性が規定される（１）から（６）のいずれか１つに記載の撮像素子。
（８）前記画素部が波長選択フィルタと光電変換部を含み、波長選択フィルタと光電変換部により画素部の波長選択性が規定される（１）から（７）のいずれか１つに記載の撮像素子。
（９）前記異色画素部対となる画素同士の信号を撮像素子内で加算すること（１）から（８）のいずれか１つに記載の撮像素子。
（１０）前記異色画素部対となる画素同士の信号を信号処理で加算すること（１）から（９）のいずれか１つに記載の撮像素子。
（１１）半導体基板上に前記信号電荷を生成する複数の光電変換部が行方向及び列方向に配列され、前記複数の光電変換部が同一の配列ピッチで格子状に配列され、かつ、前記行方向又は前記列方向に対して約４５度斜めにした配列である（１）から（１０）のいずれか１つに記載の撮像素子。
（１２）半導体基板上に前記信号電荷を生成する複数の光電変換部が行方向及び列方向に配列され、前記複数の光電変換部が同一の配列ピッチで格子状に配列されている（１）から（１０）のいずれか１つに記載の撮像素子。
（１３）前記異色画素部対を構成する画素部の感度がそれぞれ異なる（１）から（１２）のいずれか１つに記載の撮像素子。
（１４）前記異色画素部対に含まれる画素部と、該画素部隣接する画素部との組み合わせでそれぞれの波長選択範囲の和が、補色の少なくとも１つに対応する波長選択範囲と略同一となる（１）から（１３）のいずれか１つに記載の撮像素子。
（１５）入射光に対して異なる波長選択性を有する画素部を少なくとも４種類備える撮像素子備えた撮像装置であって、
複数の前記画素部が、隣接する２種類の画素部からなる画素部対を含み、前記画素部対は異なる波長選択性を持ち、かつ、それぞれの波長選択範囲を合わせた範囲が３原色のうち１つの波長選択範囲と略同一となる異色画素部対を少なくとも１つ含み、前記画素部対ごとに加算された画素の配列がベイヤー配列となる撮像装置。
（１６）入射光に対して異なる波長選択性を有する画素部を少なくとも４種類備える撮像素子備えた撮像装置であって、
複数の前記画素部が、隣接する２種類の画素部からなる画素部対を含み、前記画素部対は異なる波長選択性を持ち、かつ、それぞれの波長選択範囲を合わせた範囲が３原色のうち１つの波長選択範囲と略同一となる異色画素部対を少なくとも１つ含み、前記異色画素部対が３種類であり、該異色画素部対の波長選択範囲の和がそれぞれ３原色に対応し、全体として６種類の波長選択範囲を有する画素部を備える撮像装置。
（１７）前記異なる波長選択性は波長選択範囲の中心が異なる（１５）又は（１６）に記載の撮像装置。
（１８）前記異なる波長選択性は波長選択範囲の幅が異なる（１５）又は（１６）に記載の撮像装置。
（１９）前記画素部対が、前記異色画素部対と、波長選択範囲の中心が同一である同色画素部対とから構成される（１５）から（１８）のいずれか１つに記載の撮像装置。
（２０）前記画素部が、波長選択フィルタを含み、該波長選択フィルタによって該画素部の波長選択性が規定される（１５）から（１９）のいずれか１つに記載の撮像装置。
（２１）前記画素部が、光電変換部を含み、該光電変換部によって該画素部の波長選択性が規定される（１５）から（２０）のいずれか１つに記載の撮像装置。
（２２）前記画素部が波長選択フィルタと光電変換部を含み、波長選択フィルタと光電変換部により画素部の波長選択性が規定される（１５）から（２１）のいずれか１つに記載の撮像装置。
（２３）前記異色画素部対となる画素同士の信号を撮像素子内で加算すること（１５）から（２２）のいずれか１つに記載の撮像装置。
（２４）前記異色画素部対となる画素同士の信号を信号処理で加算すること（１５）から（２３）のいずれか１つに記載の撮像装置。
（２５）半導体基板上に前記信号電荷を生成する複数の光電変換部が行方向及び列方向に配列され、前記複数の光電変換部が同一の配列ピッチで格子状に配列され、かつ、前記行方向又は前記列方向に対して約４５度斜めにした配列である（１５）から（２４）のいずれか１つに記載の撮像装置。
（２６）半導体基板上に前記信号電荷を生成する複数の光電変換部が行方向及び列方向に配列され、前記複数の光電変換部が同一の配列ピッチで格子状に配列されている（１５）から（２４）のいずれか１つに記載の撮像装置。
（２７）前記異色画素部対を構成する画素部の感度がそれぞれ異なる（１５）から（２６）のいずれか１つに記載の撮像装置。
（２８）前記異色画素部対に含まれる画素部と、該画素部隣接する画素部との組み合わせでそれぞれの波長選択範囲の和が、補色の少なくとも１つに対応する波長選択範囲と略同一となる（１５）から（２７）のいずれか１つに記載の撮像装置。

本発明は、異色画素部対となる画素部同士の信号電荷を加算することでＲＧＢのうち少なくとも１色を近似可能な波長選択性を有している。ここで異色画素部対とは、波長選択範囲の中心がずれている画素部同士の対を意味する。一方で波長選択範囲の中心が同じ画素部同士の対を同色画素部対とする。例えば、それぞれ波長選択性が異なる第１の緑フィルタと第２の緑フィルタとを設け、それぞれの画素で生成された信号電荷を画素加算もしくは参照することで、一つのＧ（緑色）信号とすることができる。また、それぞれ波長選択性が異なる第１の赤フィルタと第２の赤フィルタとを設け、それぞれの画素で生成された信号電荷を画素加算もしくは参照することで、一つのＲ（赤色）信号とすることができ、または、それぞれ波長選択性が異なる第１の青フィルタと第２の青フィルタとを設け、それぞれの画素で生成された信号電荷を画素加算もしくは参照することで、一つのＢ（青色）信号とすることができる。こうすれば、隣接する画素を参照することで原色の精度高くすることができる。また、隣接する画素同士を加算することで、アーティファクトが発生し難く、画像の高画質化を図ることができる。

また、原色を近似する画素間の感度が異なる構成とすれば、ハイライト部では画素をそれぞれ原色を近似することでダイナミックレンジの拡大を図れ、中間部では分光の細分化による色再現性の向上を図ることができる。なお、感度差は、露光時間によるものでもよく、分光感度差によるものでもよい。

本発明によれば、色再現性を向上させるとともに、ダイナミックレンジを拡大できる撮像素子、及び、撮像装置を提供できる。

本発明にかかる実施形態の撮像装置の概略構成を示す図である。固体撮像素子の構成を説明する平面模式図である。波長選択範囲を説明する模式図である。カラーフィルタの波長選択性を説明する模式図である。カラーフィルタの配列の一例を説明する平面模式図である。格子状の画素配列の例を示す平面模式図である。格子状の画素配列の例を示す平面模式図である。４色の色フィルタを有するカラーフィルタの配列例のを示す図である。カラーフィルタの他の構成例を説明する模式図である。カラーフィルタの配列を説明する平面模式図である。ＣＭＯＳ型の回路構成を説明する模式図である。図１１の撮像素子のカラーフィルタの配列の一例を示す平面模式図である。図６及び図７の構成の変形例である。図１３の撮像素子のカラーフィルタの配列の一例を示す平面模式図である。カラーフィルタの配列の変形例を示す平面模式図である。カラーフィルタの配列の変形例を示す平面模式図である。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて詳しく説明する。
図１は、本発明にかかる実施形態の撮像装置の概略構成を示す図である。なお、本実施形態では、撮像装置の一例としてデジタルカメラの構成を用いて説明する。図１の撮像装置１００は、撮像部１０と、アナログ信号処理部１０２と、Ａ／Ｄ変換部１０３と、駆動部１０４と、ストロボ１０５と、デジタル信号処理部１０６と、圧縮／伸張処理部１０７と、表示部１０８と、システム制御部１０９と、内部メモリ１１０と、メディアインタフェース１１１と、記録メディア１１２と、操作部１１３とを備える。デジタル信号処理部１０６、圧縮／伸張処理部１０７、表示部１０８、システム制御部１０９、内部メモリ１１０、及びメディアインタフェース１１１は、システムバス１１４に接続されている。

撮像部１０は、撮影レンズ等の光学系及び後述する固体撮像素子によって被写体の撮影を行うものであり、アナログの撮像信号を出力する。撮像部１０には、固体撮像素子への光の入射の遮断制御を行うメカニカルシャッタも含まれている。アナログ信号処理部１０２は、撮像部１０で得られた撮像信号に所定のアナログ信号処理を施す。Ａ／Ｄ変換部１０３は、アナログ信号処理部１０２で処理後のアナログ信号をデジタル信号に変換する。Ａ／Ｄ変換部１０３の出力は、いわゆるＲＡＷ画像データとしてデジタル信号処理部１０６に送られる。ＲＡＷ画像データは、撮像部１０からの撮像信号の形式のままデジタル化したデジタル画像データである。

撮影に際しては、駆動部１０４を介して光学系、メカニカルシャッタ、及び固体撮像素子の制御が行われる。固体撮像素子は、操作部１１３の一部であるレリーズボタン（図示せず）の操作による２段レリーズスイッチ（図示せず）のオンを契機として、所定のタイミングで、駆動部１０４に含まれるタイミングジェネレータ（図１ではＴＧと記載）からの駆動信号によって駆動される。駆動部１０４は、システム制御部１０９によって所定の駆動信号を出力する。

デジタル信号処理部１０６は、Ａ／Ｄ変換部３からのデジタル画像データに対して、操作部１１３によって設定された動作モードに応じたデジタル信号処理を行う。デジタル信号処理部１０６が行う処理には、黒レベル補正処理（ＯＢ処理）、リニアマトリクス補正処理、ホワイトバランス調整処理、ガンマ補正処理、画像合成処理、同時化処理、及びＹ／Ｃ変換処理等が含まれる。デジタル信号処理部１０６は、例えばＤＳＰで構成される。

圧縮／伸張処理部１０７は、デジタル信号処理部１０６で得られたＹ／Ｃデータに対して圧縮処理を施すとともに、記録メディア１１２から得られた圧縮画像データに対して伸張処理を施す。

表示部１０８は、例えばＬＣＤ表示装置を含んで構成され、撮影されてデジタル信号処理を経た画像データに基づく画像を表示する。記録メディア１１２に記録された圧縮画像データを伸張処理して得た画像データに基づく画像の表示も行う。また、撮影時のスルー画像、デジタルカメラの各種状態、操作に関する情報の表示等も可能である。

内部メモリ１１０は、例えばＤＲＡＭであり、デジタル信号処理部１０６やシステム制御部１０９のワークメモリとして利用される他、記録メディアに１１２に記録される撮影画像データを一時的に記憶するバッファメモリや表示部１０８への表示画像データのバッファメモリとしても利用される。メディアインタフェース１１１は、メモリカード等の記録メディア１１２との間のデータの入出力を行うものである。

システム制御部１０９は、所定のプログラムによって動作するプロセッサを主体に構成され、撮影動作を含むデジタルカメラ全体の制御を行う。

操作部１１３は、デジタルカメラ使用時の各種操作を行うものであり、レリーズボタン等を含んでいる。

図１に示すデジタルカメラは、撮影感度の設定が変更可能となっている。例えばフィルム感度でいえば、ＩＳＯ感度１００に相当する感度で撮影を行う低感度撮影モードと、ＩＳＯ感度２００、４００、８００に相当する感度で撮影を行う高感度撮影モードとを切換設定可能となっている。図１に示すデジタルカメラでは、例えば、露光時間等の撮像条件を変えることでＩＳＯ感度を変えており、ＩＳＯ感度が低いほど露光時間を長く設定し、ＩＳＯ感度が高いほど露光時間を短く設定している。

図２は、本実施形態の固体撮像素子の構成を説明する平面模式図である。固体撮像素子は、半導体基板の受光領域上に複数のフォトダイオード等の光電変換部１１が二次状に配列されている。本実施形態では、各光電変換素子が画像を構成する一画素に相当し、以下、単に画素、又は、画素部ともいう。

図２のおいて上下方向を列方向、左右方向を行方向としたとき、光電変換部１１が半導体基板表面に行方向及び列方向に配設され、奇数行の光電変換部と偶数行の光電変換部とが１／２ピッチづつずらして配列（所謂、ハニカム画素配列）されている。なお、本実施形態では、光電変換部１１は、それぞれ波長選択性の異なる第１の光電変換部１１ａと第２の光電変換部１１ｂとから構成されている。以下の説明では、第１の光電変換部１１ａと第２の光電変換部１１ｂとを総称して単に光電変換部１１ともいう。波長選択性の異なるとは、波長選択範囲の中心が異なる事、または波長選択範囲の幅が異なる事を意味する。例えば、波長選択範囲自体が異なるもの、波長選択範囲は片方の範囲に含まれるが、波長選択幅が異なることで選択範囲の中心が異なるもの、波長選択範囲は片方の範囲に含まれ選択範囲の中心が同一であるが、波長選択幅が異なるものがあげられる。

固体撮像素子２０は、各光電変換部１１から読み出された信号電荷を列方向に転送する複数の垂直転送部１２と、複数の垂直転送部１２のそれぞれからの信号電荷を、行方向に転送する水平転送部１３と、水平転送部１３を経て信号電荷に対応する電圧信号を出力する出力アンプ部１４とが設けられている。

垂直転送部１２は、列方向に配設された複数の光電変換部１１に対応して半導体基板に形成された複数の垂直転送チャネル（図示しない）と、複数の垂直転送チャネルのそれぞれと交差するように形成された（図２において左右方向に延設された）複数の垂直転送電極Ｖ１〜Ｖ８と、各光電変換部１１の信号電荷を垂直転送チャネルに読み出す電荷読み出し領域とを含む。各垂直転送部１２の垂直転送電極Ｖ１〜Ｖ８は、光電変換部１１の各列同士の間に延在し、蛇行形状を有している。垂直転送部１２は、垂直転送電極Ｖ１〜Ｖ８に駆動部１０４から出力される垂直転送パルスによって転送駆動される。

水平転送部１３は、半導体基板に形成された図示しない水平転送チャネルと、この水平転送チャネル上に設けられた水平転送電極とを有し、水平転送電極に駆動部１０４から出力される水平転送パルスφＨ１，φＨ２によって２相駆動される。

出力アンプ部１４は、水平転送部１３の転送方向端部まで転送されてきた信号電荷の電荷量に応じた電圧値信号を画像信号として出力する。

なお、垂直転送部１２や水平転送部１３のように、「垂直」「水平」という語句を用いて説明したが、これは、半導体基板表面に平行な「１方向」「この１方向に対して略直角の方向」の意味である。

固体撮像素子において、カラー画像信号を検出するため、受光領域上に図示しない、波長選択フィルタとして機能するカラーフィルタが設けられている。

波長選択された電荷は、波長選択フィルタとして機能するカラーフィルタを通過した光が光電変換部で受光されることで生成される。なお、波長選択フィルタが存在しない場合では光電変換部の波長選択性を利用することで実現可能である。光電変換部の波長選択性としては、半導体基板の深さ方向の光電変換特性と波長への感受性は関連があることが知られており、例えば、フォトダイオードを半導体受光面の浅い部分に形成すると青のように波長の短い光を選択することができる。さらに、光電変換部と波長選択フィルタとを組み合わせることで、より自由度の高い波長選択性を実現することも可能である。

各光電変換部１１上に図示した「Ｒ」「Ｇ」「Ｂ」「ｒ」「ｇ」「ｂ」は、各光電変換部上に積層されたカラーフィルタの色を表しており、「Ｒ」「ｒ」は赤色を示し、「Ｇ」「ｇ」は緑色を示し、「Ｂ」「ｂ」は青色を示している。また、「Ｒ」「Ｇ」「Ｂ」で示す位置の光電変換部１１ｂと、「ｒ」「ｇ」「ｂ」で示す位置の光電変換部１１ａとはそれぞれ波長選択性が異なることを示している。光電変換部１１によって検出される光に対応する信号を、各色に対応してＲ信号、Ｇ信号、Ｂ信号、（又は、ｒ信号、ｇ信号、ｂ信号）と記述する場合もある。

本実施形態では、光電変換部１１が同一の配列ピッチで格子状に配列され、行方向又は列方向に対して約４５度斜めにした配列である。本実施形態では、半導体基板表面に行方向及び列方向に配設され、第１の光電変換部１１ａと第２の光電変換部１１ｂとが、同一の配列ピッチで、かつ、互いに、配列ピッチの１／２だけ行方向及び列方向にずれた位置に配列されている。具体的には、第１の光電変換部１１ａと第２の光電変換部１１ｂとがそれぞれ赤色，緑色，青色のベイヤー配列を有し、また、奇数行に「ｒ」「ｇ」「ｂ」で示される第２の光電変換部１１ａが配列され、偶数行に「Ｒ」「Ｇ」「Ｂ」で示される第１の光電変換部１１ｂが配列されている。ここで、上下に並んだ行の同色に対応する光電変換部（例えば「ｒ」と「Ｒ」）同士が行方向及び列方向に１／２ピッチづつずれて配置されている。同じ色に対応する光電変換部１１のうち、第１の光電変換部１１ａと第２の光電変換部１１ｂとが、半導体基板の配列において互いに隣接する位置に配置されている。言い換えると、複数の画素部は、入射光に対してそれぞれ異なる波長選択性を有する。ここで、波長選択性とは、カラーフィルタ等によって各画素部に受光する光の波長が規定される性質を意味する。

第１の光電変換部１１ａ及び第２の光電変換部１１ｂそれぞれの、入射光に対する受光の感度が異なるように構成してもよい。感度が異なる構成としては、受光領域の面積を光電変換部１１ごとに変化させるなどの素子の構成を変えてもよく、または、分光の鋭さを変えてもよい。また、露光時間で感度を変えてもよい。光電変換部１１の感度を変化さえる方法は、特に限定されない。光電変換部１１によって画素部の波長選択性が規定されてもよい。

図３及び図４は、本実施形態のカラーフィルタの波長選択性を説明する模式図である。図５は、カラーフィルタの配列の一例を説明する平面模式図である。なお、図５では、「Ｒ１」，「Ｒ２」が赤色波長の光の波長選択性を有する光電変換部及び画素の位置を示し、「Ｇ１」，「Ｇ２」が赤色波長の光の波長選択性を有する光電変換部及び画素の位置を示し、「Ｂ１」，「Ｂ２」が赤色波長の光の波長選択性を有する光電変換部及び画素部の位置を示している。

図３に示すように、「Ｂ１」の画素部がＢに示す波長選択範囲を有し、「Ｂ２」の画素部がｂに示す波長選択範囲を有し、「Ｇ１」の画素部がＧに示す波長選択範囲を有し、「Ｇ２」の画素部がｇに示す波長選択範囲を有し、「Ｒ１」の画素部がＲに示す波長選択範囲を有し、「Ｒ２」の画素部がｒに示す波長選択範囲を有するものとする。「Ｂ１」と「Ｂ２」との画素部対、「Ｂ１」と「Ｂ２」との画素部対、「Ｂ１」と「Ｂ２」との画素部対、はそれぞれ異色画素部対である。異色画素部対とは、同色系の波長選択範囲を有するが、波長選択範囲の中心が異なる画素部対を意味する。波長選択範囲の中心とは、波長選択範囲を波長（ｎｍ）で表したときに、その中心となる波長に相当する。

具体的には、波長選択範囲Ｂの中心と波長選択範囲ｂの中心とはずれており、同一ではない。つまり、「Ｂ１」と「Ｂ２」の画素部対は、それぞれの波長選択範囲の中心が異なり、かつ、それぞれの波長選択範囲を合わせた範囲がＢ（青色）の波長選択範囲と略同一となる。

波長選択範囲Ｇの中心と波長選択範囲ｇの中心とはずれており、同一ではない。つまり、「Ｇ１」と「Ｇ２」の画素部対は、それぞれの波長選択範囲の中心が異なり、かつ、それぞれの波長選択範囲を合わせた範囲がＧ（緑色）の波長選択範囲と略同一となる。

波長選択範囲Ｒの中心と波長選択範囲ｒの中心とはずれており、同一ではない。つまり、「Ｒ１」と「Ｒ２」の画素部対は、それぞれの波長選択範囲の中心が異なり、かつ、それぞれの波長選択範囲を合わせた範囲がＲ（赤色）の波長選択範囲と略同一となる。

図４に示すように、本実施形態の固体撮像素子は、第１の光電変換部１１ａと第２の光電変換部１１ｂとで生成されたそれぞれの信号電荷を加算することで、ＲＧＢを近似している。第１の光電変換部１１ａと第２の光電変換部１１ｂとの上に設けられたカラーフィルタの波長選択性が異なっており、第１の光電変換部１１ａで生成された赤色信号Ｒ１と第２の光電変換部１１ｂで生成された赤色信号Ｒ２とを２画素加算することでＲ信号を検出し、第１の光電変換部１１ａで生成された緑色信号Ｇ１と第２の光電変換部１１ｂで生成された緑色信号Ｇ２とを２画素加算することでＧ信号を検出し、第１の光電変換部１１ａで生成された青色信号Ｂ１と第２の光電変換部１１ｂで生成された青色信号Ｂ２とを２画素加算することでＢ信号を検出する。ここで、本実施形態では、２画素を加算し、ＲＧＢのそれぞれを近似したが、３画素以上の光電変換部１１で生成された信号電荷を加算してもよい。また、本実施形態では、ＲＧＢのすべてを近似により検出したが、これに限定されず、ＲＧＢのうち、いずれか１色又は２色のみを近似により検出することができる。例えば、Ｇ信号のみを近似により検出し、Ｒ及びＢ信号については、単一の光電変換部で生成された信号電荷に基いて検出することができる。

図５に示すように、本実施形態の固体撮像素子においては、加算される画素同士のフィルタが隣接するように配列されている。具体的には、加算されることでＲ信号を近似する、Ｒ１信号を生成する画素とＲ２信号を生成する画素とが、両者の間に他の画素が配置されることなく、互いに半導体基板の行方向及び列方向に対して１／２ピッチずれた位置に並べて設けられている。同様に、加算されることでＧ信号を近似する、Ｇ１信号を生成する画素とＧ２信号を生成する画素とが、両者の間に他の画素が配置されることなく、互いに半導体基板の行方向及び列方向に対して１／２ピッチずれた位置に並べて設けられている。加算されることでＢ信号を近似する、Ｂ１信号を生成する画素とＢ２信号を生成する画素とが、両者の間に他の画素が配置されることなく、互いに半導体基板の行方向及び列方向に対して１／２ピッチずれた位置に並べて設けられている。

本実施形態では、Ｒ１とＲ２、Ｇ１とＧ２、Ｂ１とＢ２のそれぞれの加算される画素の配列が同じ方向となっていることが好ましい。こうすることで、画素加算による画質の低下をより一層抑制することができる。また、本実施形態の画素配列では、隣接する２画素を加算した場合に、加算された画素の配列がベイヤー配列となることが好ましい。

図２及び図５に示すように、画素の配列がハニカム構造の場合には、全画素読み出しが可能であるため、途中読み出した第１の光電変換部又は第２の光電変換部で生成された信号電荷のみ独立に読み出すことができる。さらに、光電変換部が２行ごとに、読み出す方向が異なる構造とすることで、第１の光電変換部及び第２の光電変換部のうち一方で生成された信号電荷のみ独立に転送することができる。これにより、転送可能な信号電荷量を増やすことができるため、ダイナミックレンジを更に拡大することができる。

本発明は、画素の信号電荷を加算することでＲＧＢのうち少なくとも１色を近似可能な波長選択性を有している。例えば、それぞれ波長選択範囲の中心が異なる第１の緑フィルタと第２の緑フィルタとを設け、それぞれの画素で生成された信号電荷を画素加算することで、一つのＧ（緑色）信号とすることができる。また、それぞれ波長選択範囲の中心が異なる第１の赤フィルタと第２の赤フィルタとを設け、それぞれの画素で生成された信号電荷を画素加算することで、一つのＲ（赤色）信号とすることができ、または、それぞれ波長選択範囲の中心が異なる第１の青フィルタと第２の青フィルタとを設け、それぞれの画素で生成された信号電荷を画素加算することで、一つのＢ（青色）信号とすることができる。こうすれば、隣接画素の相関性の高さにより原色の精度が向上する。また、隣接する画素同士を加算することで、アーティファクトが発生し難く、画像の高画質化を図ることができる。

本発明にかかる撮像装置は、加算される画素（または、異色画素部対を構成する画素）の感度の比を制御する感度比制御手段を有していてもよい。加算される画素の感度比の制御は、例えば、画素の構成を変えてもよく、分光の鋭さ（Ｑ）を変えることで実現が可能である。こうすることで、異色画素部対に含まれる画素部の感度がそれぞれ異なるように構成可能である。さらに露光時間を変えてもよい。また、感度をかえる画素の組は、加算される画素の画素同士の位置関係と同様に、同一の位置関係であることが好ましい。

次に、本発明にかかる撮像装置の他の構成例を図面に基いて説明する。なお、以下に説明する実施形態において、すでに説明した部材などと同等な構成・作用を有する部材等については、図中に同一符号又は相当符号を付すことにより、説明を簡略化或いは省略する。

図６及び図７に示す固体撮像素子では、各光電変換部２１が、半導体基板上において行方向及び列方向に同一の配列ピッチで格子状に配列されている。具体的には、光電変換部２１ａ，２１ｂが半導体基板表面に行方向及び列方向に配設され、第１の光電変換部２１ａと第２の光電変換部２１ｂとが、同一の配列ピッチで、かつ、それぞれが正方格子状に２×２周期の配列を斜めにした状態で配列されている。光電変換部２１ａ及び光電変換部２１ｂは、それぞれ、ベイヤー配列を略４５度傾けた状態で格子状に配置されている。

図６に示す固体撮像素子では、第１の光電変換部２１ａ及び第２の光電変換部２１ｂにおいて検出された画素信号が、ともに同じ垂直転送部２２に読み出される。転送時には、Ｒ信号，Ｇ信号，Ｂ信号は、列方向に延在する複数の垂直転送電極のうち、列方向にｎ番目,ｎ＋４番目,ｎ＋８番目・・・（ｎ＝１,２,３…などの任意の整数とする。）に読み出され、ｒ信号，ｇ信号，ｂ信号は、列方向に延在する複数の垂直転送電極のうち、列方向にｎ＋１番目,ｎ＋５番目,ｎ＋９番目・・・に読み出される。図６に示す光電変換部の配列によれば、垂直転送電極に駆動パルスを印加することによって読み出された各信号電荷を４相駆動で垂直転送できる。

また、図６の光電変換部２１の配列によれば、光電変換部２１のうち、互いに加算される画素に対応する、第１の光電変換部２１ａと第２の光電変換部２１ｂとが、列方向に隣り合う位置に配置されている。

図７の固体撮像素子では、第１の光電変換部２１ａ及び第２の光電変換部２１ｂにおいて検出された画素信号が、それぞれ反対側の垂直転送部２２に読み出される。図７では、第２の光電変換部２１ｂで検出された画素信号が図中右側の垂直転送部２２に読み出され、第１の光電変換部２１ａで検出された画素信号が図中左側の垂直転送部２２に読み出される。転送時には、Ｒ，Ｇ，Ｂ信号は、列方向に延在する複数の垂直転送電極のうち、列方向にｎ番目,ｎ＋４番目,ｎ＋８番目・・・に読み出され、ｒ，ｇ，ｂ信号は、反対側に延在する複数の垂直転送電極のうち、列方向にｎ＋１番目,ｎ＋５番目,ｎ＋９番目・・・に読み出される。図７に示す光電変換部の配列によれば、垂直転送電極に駆動パルスを印加することによって信号電荷を４相駆動で垂直転送できる。

また、図７の光電変換部２１の配列によれば、同じ色に対応する光電変換部２１のうち、第１の光電変換部２１ａと第２の光電変換部２１ｂとが、垂直転送部２２を挟んで行方向に隣り合う位置に配置されている。

図６及び図７に示す固体撮像素子のカラーフィルタの構成においても、ＲＧＢの各色のいずれかに近似される色に対する分光波長領域が拡大するため、色再現性を向上することができる。また、隣接する画素同士を加算することで、アーティファクトが発生し難く、画像の高画質化を図ることができる。
また、図６及び図７に示す固体撮像素子は、隣接する２画素を加算した場合に、加算された画素の配列がベイヤー配列となることが好ましい。

上記のカラーフィルタは、ＲＧＢのそれぞれが、波長選択性の異なる２つの画素を加算によって近似される６色のマルチバンドものとしたが、カラーフィルタはこれに限定されない。例えば、４色、５色、または、７色以上の色フィルタを備えたマルチバンド構成とすることができる。

図８は、４色の色フィルタを有するカラーフィルタの配列例のを示す図である。なお、図８では、２画素×２画素に対応するフィルタ配列のみを示しているが、行方向及び列方向に繰り返す所定の配列パターンであるとする。
図８（ａ）に示すフィルタ配列においては、Ｒ画素とｒ画素上に、それぞれ波長選択性が異なるフィルタが配置されている。そして、Ｒ画素及びｒ画素で生成された信号電荷を加算することで、赤色信号を近似している。一方、Ｇ画素及びＢ画素上には、それぞれ単一の色フィルタ配列され、それぞれＧ信号とＢ信号が読み出される。こうすれば、赤色の波長領域に対する分解能を向上させることができる。

図８（ｂ）に示すフィルタ配列においては、Ｂ画素とｂ画素上に、それぞれ波長選択性が異なるフィルタが配置されている。そして、Ｂ画素及びｂ画素で生成された信号電荷を加算することで、青色信号を近似している。一方、Ｒ画素及びＧ画素上には、それぞれ単一の色フィルタ配列され、それぞれＲ信号とＧ信号が読み出される。こうすれば、青色の波長領域に対する分解能を向上させることができる。

図８（ｃ）に示すフィルタ配列においては、Ｇ画素とｇ画素上に、それぞれ波長選択性が異なるフィルタが配置されている。そして、Ｇ画素及びｇ画素で生成された信号電荷を加算することで、緑色信号を近似している。一方、Ｒ画素及びＢ画素上には、それぞれ単一の色フィルタ配列され、それぞれＲ信号とＢ信号が読み出される。こうすれば、緑色の波長領域に対する分解能を向上させることができる。また、図５の色ペアでＲ１とＲ２、Ｂ１とＢ２を同じ波長選択性としてもよい。同じ特性としてはそれぞれＲ、Ｂとすることが望ましい。これにより緑の波長領域に対する分解能を向上させることができる。Ｒ、Ｂの場合も同様である。

図９は、本実施形態のカラーフィルタの他の構成例を説明する模式図である。図１０は、カラーフィルタの配列を説明する平面模式図である。なお、図１０では、「Ｒ１」，「Ｒ２」が赤色波長の光の波長選択範囲を有する光電変換部及び画素の位置を示し、「Ｇ１」，「Ｇ２」が緑色波長の光の波長選択範囲を有する光電変換部及び画素の位置を示し、「Ｂ１」，「Ｂ２」が青色波長の光の波長選択範囲を有する光電変換部及び画素の位置を示している。

本発明において、カラーフィルタが画素の信号電荷を加算もしくは参照することでＲＧＢのうち少なくとも１色を近似可能な波長選択性を有する構成に加え、更に、隣接画素を参照することでＲＧＢの補色のうち少なくとも１色を近似可能な波長選択性を有する構成とすることができる。

図９に示すように、第１の光電変換部で生成された青色信号Ｂ１と第２の光電変換部で生成された赤色信号Ｒ２とを参照することでマゼンタ信号Ｍｇを検出できる。また、第２の光電変換部で生成された青色信号Ｂ２と第１の光電変換部で生成された緑色信号Ｇ１とを参照することでシアン信号Ｃｙを検出できる。さらに、第２の光電変換部で生成された緑色信号Ｇ２と第１の光電変換部で生成された赤色信号Ｒ１とを参照することでイエロー信号Ｙｅを検出できる。

このとき、図１０に示すように、参照することで補色に近似される２画素（ここでは、Ｂ２画素とＧ１画素、Ｇ２画素とＲ１画素、Ｂ１画素とＲ２画素）がいずれもフィルタ配列において隣接するように配置されている。こうすれば、固体撮像素子の駆動時に、独立に読み出しを行うことでＲＧＢの色情報に加えて、補色の色情報を精度良く得ることができるため色再現性を更に向上させることができる。また、５色の場合も、Ｒが単色の場合はＢ２とＧ１、Ｂが単色の場合はＧ２とＲ１、Ｇが単色の場合はＲ２とＢ１で補色に近似できる。このように、異色画素部対に含まれる画素部と、該画素部隣接する画素部との組み合わせでそれぞれの波長選択範囲の和が、補色の少なくとも１つに対応する波長選択範囲と略同一となるように画素部を配列してもよい。

撮像素子の構成としては、ＣＭＯＳ型の構成とすることができる。図１１は、ＣＭＯＳ型の回路構成を説明する模式図である。図１２は、図１１の撮像素子のカラーフィルタの配列の一例を示す平面模式図である。配列は、ＲＧＢ及びｒｇｂの６色のカラーフィルタ配列である。また、この配列では、Ｒ画素部とｒ画素部とが異色画素部対を構成し、Ｇ画素部とｇ画素部とが異色画素部対を構成し、これら２組の異色画素部対によって２×２の画素部を構成する。

図１１に示すＣＭＯＳ型の撮像素子は、上記２×２の画素部に対応する回路構成を備えている。具体的には、各画素部は、半導体基板に形成されたフォトダイオードＰＤと、ＰＤで生成された電荷を転送するための転送トランジスタＴｒを備えている。画素部のうち異色画素部対を構成する画素部同士が、ＰＤの電荷を互いに加算可能となるように接続されている。また、２組の異色画素部対が互いに接続され、単一のフローティングディフュージョンＦＤに接続されている。ＦＤには、ＦＤの電位を電源電圧ＶＤＤにリセットするためのリセットトランジスタＲＳＴが接続されている。また、ＦＤには、増幅トランジスタＴａのゲートが接続されている。この増幅トランジスタＴａは、選択トランジスタＴｓを介して、垂直出力線に接続されている。画素選択信号に基づいて選択トランジスタＴｓがオンすると、増幅トランジスタＴａはＦＤの電位を増幅してその電位に応じた電圧を垂直信号線に出力する。
この構成によれば、２×２の画素部に対応し、４画素部の信号電荷を加算して読み出すことが可能な構成である。

次に、ＣＣＤ構造の撮像素子において、６色のカラーフィルタ配列として垂直転送部で画素加算する例を説明する。
図１３は、図６及び図７の構成の変形例である。図１４は、図１３の撮像素子のカラーフィルタの配列の一例を示す平面模式図である。この配列では、Ｒ画素部とｒ画素部とが異色画素部対を構成し、Ｇ画素部とｇ画素部とが異色画素部対を構成する。

図１３の光電変換部２１の配列によれば、光電変換部２１のうち、互いに加算される画素部に対応する、第１の光電変換部２１ａと第２の光電変換部２１ｂとが、同一の垂直転送部２２を挟んでその両側に位置し、それぞれの画素信号の読み出し方向が向かい合うように配置されている。例えば、異色画素部対を構成するＲ画素部とｒ画素部は、両画素部の間に位置する垂直転送部２２に画素信号が読み出される。

図７の固体撮像素子では、第１の光電変換部２１ａ及び第２の光電変換部２１ｂにおいて検出された画素信号が、それぞれ反対側の垂直転送部２２に読み出される。図７では、第２の光電変換部２１ｂで検出された画素信号が図中右側の垂直転送部２２に読み出され、第１の光電変換部２１ａで検出された画素信号が図中左側の垂直転送部２２に読み出される。そして、異色画素部対を構成する画素部同士の画素信号が垂直転送部２２で加算される。

カラーフィルタの配列は適宜変更可能である。
図１５は、ＲＧＢとｒｂの画素部によって構成された５色の配列である。ここで、Ｒ画素部とｒ画素部とが異色画素部対を構成し、また、Ｂ画素部とｂ画素部とが異色画素部対を構成する。ここで、Ｇ画素部とＧ画素部とは、波長選択範囲の中心が同一である同色画素部対を構成する。このように画素部対は、異色画素部対のみの配列に限定されず、異色画素部対と同色画素部対とから構成されていてもよい。

図１６は、ＲＧＢとｒｇｂの画素部によって構成された６色の配列である。この配列では、Ｒ画素部とｒ画素部とが異色画素部対を構成し、Ｂ画素部とｂ画素部とが異色画素部対を構成し、Ｇ画素部とｇ画素部とが異色画素部対を構成する。また、これら異色画素部対のうち２組の異色画素部対によって２×２画素部が構成される。また、この配列では、２ラインごとに２×２画素部の配置が、１画素分だけラインの方向にずれている。こうすれば、２組の異色画素部対の画素信号を加算したときに、加算後の重心が市松状になり、ライン方向の解像度（例えば画像中の縦線に対する解像度）を向上することができる利点がある。

このように、撮像素子には、入射光に対して異なる波長選択性を有する画素部が少なくとも４種類備えられていればよい。例えば、ＲＧＢとｒの画素部の４種類とすれば、Ｒ画素部とｒ画素部とで少なくとも１つの異色画素部対を構成することができる。このとき、Ｂ画素部同士及びＧ画素部同士で、それぞれ同色画素部対を構成してもよい。

１０撮像部
１１ａ，２１ａ第１の光電変換部
１１ｂ，２１ｂ第２の光電変換部
１２垂直転送部
１３水平転送部
２０固体撮像素子
１００撮像装置

Claims

入射光に対して異なる波長選択性を有する画素部を少なくとも４種類備える撮像素子であって、
複数の前記画素部が、隣接する２種類の画素部からなる画素部対を含み、前記画素部対は異なる波長選択性を持ち、かつ、それぞれの波長選択範囲を合わせた範囲が３原色のうち１つの波長選択範囲と略同一となる異色画素部対を少なくとも１つ含み、前記画素部対ごとに加算された画素の配列がベイヤー配列となる撮像素子。
入射光に対して異なる波長選択性を有する画素部を少なくとも４種類備える撮像素子であって、
複数の前記画素部が、隣接する２種類の画素部からなる画素部対を含み、前記画素部対は異なる波長選択性を持ち、かつ、それぞれの波長選択範囲を合わせた範囲が３原色のうち１つの波長選択範囲と略同一となる異色画素部対を少なくとも１つ含み、前記異色画素部対が３種類であり、該異色画素部対の波長選択範囲の和がそれぞれ３原色に対応し、全体として６種類の波長選択範囲を有する画素部を備える撮像素子。
前記異なる波長選択性は波長選択範囲の中心が異なる請求項１又は２に記載の撮像素子。
前記異なる波長選択性は波長選択範囲の幅が異なる請求項１又は２に記載の撮像素子。
前記画素部対が、前記異色画素部対と、波長選択範囲の中心が同一である同色画素部対とから構成される請求項１から４のいずれか１つに記載の撮像素子。
前記画素部が、波長選択フィルタを含み、該波長選択フィルタによって該画素部の波長選択性が規定される請求項１から５のいずれか１つに記載の撮像素子。
前記画素部が、光電変換部を含み、該光電変換部によって該画素部の波長選択性が規定される請求項１から６のいずれか１つに記載の撮像素子。
前記画素部が波長選択フィルタと光電変換部を含み、波長選択フィルタと光電変換部により画素部の波長選択性が規定される請求項１から７のいずれか１つに記載の撮像素子。
前記異色画素部対となる画素同士の信号を撮像素子内で加算すること請求項１から８のいずれか１つに記載の撮像素子。
前記異色画素部対となる画素同士の信号を信号処理で加算すること請求項１から９のいずれか１つに記載の撮像素子。
半導体基板上に前記信号電荷を生成する複数の光電変換部が行方向及び列方向に配列され、前記複数の光電変換部が同一の配列ピッチで格子状に配列され、かつ、前記行方向又は前記列方向に対して約４５度斜めにした配列である請求項１から１０のいずれか１つに記載の撮像素子。
半導体基板上に前記信号電荷を生成する複数の光電変換部が行方向及び列方向に配列され、前記複数の光電変換部が同一の配列ピッチで格子状に配列されている請求項１から１０のいずれか１つに記載の撮像素子。
前記異色画素部対を構成する画素部の感度がそれぞれ異なる請求項１から１２のいずれか１つに記載の撮像素子。
前記異色画素部対に含まれる画素部と、該画素部隣接する画素部との組み合わせでそれぞれの波長選択範囲の和が、補色の少なくとも１つに対応する波長選択範囲と略同一となる請求項１から１３のいずれか１つに記載の撮像素子。
入射光に対して異なる波長選択性を有する画素部を少なくとも４種類備える撮像素子備えた撮像装置であって、
複数の前記画素部が、隣接する２種類の画素部からなる画素部対を含み、前記画素部対は異なる波長選択性を持ち、かつ、それぞれの波長選択範囲を合わせた範囲が３原色のうち１つの波長選択範囲と略同一となる異色画素部対を少なくとも１つ含み、前記画素部対ごとに加算された画素の配列がベイヤー配列となる撮像装置。
入射光に対して異なる波長選択性を有する画素部を少なくとも４種類備える撮像素子備えた撮像装置であって、
複数の前記画素部が、隣接する２種類の画素部からなる画素部対を含み、前記画素部対は異なる波長選択性を持ち、かつ、それぞれの波長選択範囲を合わせた範囲が３原色のうち１つの波長選択範囲と略同一となる異色画素部対を少なくとも１つ含み、前記異色画素部対が３種類であり、該異色画素部対の波長選択範囲の和がそれぞれ３原色に対応し、全体として６種類の波長選択範囲を有する画素部を備える撮像装置。
前記異なる波長選択性は波長選択範囲の中心が異なる請求項１５又は１６に記載の撮像装置。
前記異なる波長選択性は波長選択範囲の幅が異なる請求項１５又は１６に記載の撮像装置。
前記画素部対が、前記異色画素部対と、波長選択範囲の中心が同一である同色画素部対とから構成される請求項１５から１８のいずれか１つに記載の撮像装置。
前記画素部が、波長選択フィルタを含み、該波長選択フィルタによって該画素部の波長選択性が規定される請求項１５から１９のいずれか１つに記載の撮像装置。
前記画素部が、光電変換部を含み、該光電変換部によって該画素部の波長選択性が規定される請求項１５から２０のいずれか１つに記載の撮像装置。
前記画素部が波長選択フィルタと光電変換部を含み、波長選択フィルタと光電変換部により画素部の波長選択性が規定される請求項１５から２１のいずれか１つに記載の撮像装置。
前記異色画素部対となる画素同士の信号を撮像素子内で加算すること請求項１５から２２のいずれか１つに記載の撮像装置。
前記異色画素部対となる画素同士の信号を信号処理で加算すること請求項１５から２３のいずれか１つに記載の撮像装置。
半導体基板上に前記信号電荷を生成する複数の光電変換部が行方向及び列方向に配列され、前記複数の光電変換部が同一の配列ピッチで格子状に配列され、かつ、前記行方向又は前記列方向に対して約４５度斜めにした配列である請求項１５から２４のいずれか１つに記載の撮像装置。
半導体基板上に前記信号電荷を生成する複数の光電変換部が行方向及び列方向に配列され、前記複数の光電変換部が同一の配列ピッチで格子状に配列されている請求項１５から２４のいずれか１つに記載の撮像装置。
前記異色画素部対を構成する画素部の感度がそれぞれ異なる請求項１５から２６のいずれか１つに記載の撮像装置。
前記異色画素部対に含まれる画素部と、該画素部隣接する画素部との組み合わせでそれぞれの波長選択範囲の和が、補色の少なくとも１つに対応する波長選択範囲と略同一となる請求項１５から２７のいずれか１つに記載の撮像装置。