JP4613137B2

JP4613137B2 - 固体撮像素子

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Publication number: JP4613137B2
Application number: JP2006047081A
Authority: JP
Inventors: 和田　　哲
Original assignee: Fujifilm Corp
Current assignee: Fujifilm Corp
Priority date: 2006-02-23
Filing date: 2006-02-23
Publication date: 2011-01-12
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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が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が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。

特開２００４−０５５７８６号公報

ところで、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ように配置する場合には、一般的なベイヤー配列を採用すると、例えば図４に示すような配列パターンになる。図中に示す「Ｒ」、「Ｇ」、「Ｂ」は、それぞれＲ色、Ｇ色、Ｂ色を検出する光電変換素子に相当する。また、図中の丸印は高感度の光電変換素子を表し、四角印は低感度の光電変換素子を表す。

図４に示すような配列パターンの固体撮像素子においては、高感度の光電変換素子が並んだＰＤ行とこれに隣接して低感度の光電変換素子が並んだＰＤ行とがペアになっている。例えば、高感度の光電変換素子のＰＤ行Ｌ１１と低感度の光電変換素子のＰＤ行Ｌ２１とがペア行ＰＬ１を形成し、同様に、高感度の光電変換素子のＰＤ行Ｌ１２と低感度の光電変換素子のＰＤ行Ｌ２２とがペア行ＰＬ２を形成し、高感度の光電変換素子のＰＤ行Ｌ１３と低感度の光電変換素子のＰＤ行Ｌ２３とがペア行ＰＬ３を形成し、高感度の光電変換素子のＰＤ行Ｌ１４と低感度の光電変換素子のＰＤ行Ｌ２４とがペア行ＰＬ４を形成する。

従って、各光電変換素子から読み出される信号をペア行（ＰＬ１，ＰＬ２，ＰＬ３，・・・）単位で処理することにより、各色毎に、低感度で検出された信号と高感度で検出された信号とを用いてダイナミックレンジの広い画像信号を得ることができる。

一方、色成分に着目すると、図４に示す配列パターンでは、高感度の光電変換素子のグループの上から奇数番目のＰＤ行（Ｌ１１，Ｌ１３）並びに低感度の光電変換素子のグループの上から奇数番目のＰＤ行（Ｌ２１，Ｌ２３）には「Ｒ」、「Ｇ」、「Ｒ」、「Ｇ」、「Ｒ」・・・の色を検出する光電変換素子が順番に並び、高感度の光電変換素子のグループの上から偶数番目のＰＤ行（Ｌ１２，Ｌ１４）並びに低感度の光電変換素子のグループの上から偶数番目のＰＤ行（Ｌ２２，Ｌ２４）には「Ｇ」、「Ｂ」、「Ｇ」、「Ｂ」、「Ｇ」・・・の色を検出する光電変換素子が順番に並んでいる。

つまり、奇数番目のＰＤ行には「Ｂ」色を検出する光電変換素子が存在せず、偶数番目のＰＤ行には「Ｒ」色を検出する光電変換素子が存在しない。従って、ペア行単位で信号を処理するだけでは「Ｒ」、「Ｇ」、「Ｂ」の全色成分を揃えることができず、カラー画像を再現できない。全ての光電変換素子から信号を読み取る場合には、画像処理により隣接するペア行の信号を利用して不足する色成分を補間することもできる。しかし、デジタルカメラの用途においては、メモリ容量の制約や撮影時間の高速化などのために、最高の解像度の他に、それよりも低い解像度でも撮影することが必要になる。

相対的に低い解像度で撮影する場合には、固体撮像素子の光電変換素子群から信号の読み取りを行う際に、ペア行単位で間引きを行うのが一般的である。例えば、図４に示すような配列パターンの光電変換素子群の中で、偶数ペア行（ＰＬ２，ＰＬ４，・・・）の読み出しを省略して奇数ペア行（ＰＬ１，ＰＬ３，・・・）だけの読み出しを行えば、縦方向の解像度が半分になった画像を得ることができる。

しかし、奇数ペア行には「Ｂ」色を検出する光電変換素子が存在しないので、「Ｂ」色を検出する光電変換素子が存在する偶数ペア行の読み出しを省略するとカラー画像を再現できなくなってしまう。

逆に、奇数ペア行の読み出しを省略して偶数ペア行だけの読み出しを行う場合にも、偶数ペア行に「Ｒ」色を検出する光電変換素子が存在しないので、奇数ペア行の読み出しを省略するとカラー画像を再現できなくなってしまう。

このような問題を解決するために、Ｒを検出する光電変換素子と、Ｇを検出する光電変換素子と、Ｂを検出する光電変換素子とが全て含まれるように間引きを行うペア行を設定する必要がある。特許文献１記載の固体撮像素子の構成において、カラー画像を再現した間引きを行うには、例えば、ペア行ＰＬ１とＰＬ２を読み出し、ペア行ＰＬ３とＰＬ４を間引くといった処理が必要となり、制御のタイミングが複雑化してしまう。制御のタイミングが最も簡単なのは、１ペア行おきに間引きを行う場合であり、従来の固体撮像素子では、このような制御ができる構成にはなっていない。

本発明は、光電変換素子群からの信号読みだしに関して行単位で間引きを行う場合であっても、制御タイミングの複雑化を伴うことなく、カラー画像の再現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のグループ及び前記第２のグループは、それぞれ、前記行方向に配列された多数の光電変換素子からなる光電変換素子行が、前記列方向に多数配列され、且つ、それぞれ異なる色成分を検出する少なくとも３種類の光電変換素子を所定の配列パターンにしたがって配列したグループであり、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、前記配列パターンは、前記第１のグループ及び前記第２のグループの各々において互いに隣接する２つの前記光電変換素子行の中に前記少なくとも３種類の光電変換素子が含まれるように決定され、
前記第１のグループに含まれる１つの前記光電変換素子行を第１の注目行とし、前記第２のグループに含まれる前記多数の光電変換素子行の中で前記第１の注目行と隣接する光電変換素子行を第２の注目行とし、前記第２の注目行の中で、その中に含まれている光電変換素子の色成分の組み合わせが前記第１の注目行とは異なる行を第３の注目行とする場合に、前記第１の注目行に属している光電変換素子の電荷読み出し用の電極と、前記第３の注目行に属している光電変換素子の電荷読み出し用の電極とを共通の端子に電気的に接続した。

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と、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の間に感度差を設けた。

本発明の固体撮像素子は、前記配列パターンとしてベイヤー状の配列パターンを用いた。

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前記多数の光電変換素子行の各々からの電荷読みだしを制御するための電荷読み出し用の電極を、１つの前記光電変換素子行おきに交互に第１共通端子及び第２共通端子に接続し、前記第２のグループに含まれる前記多数の光電変換素子行の各々からの電荷読みだしを制御するための電荷読み出し用の電極を、１つの前記光電変換素子行おきに交互に前記第２共通端子及び前記第１共通端子に接続した。

本発明によれば、光電変換素子群からの信号読みだしに関して行単位で間引きを行う場合であっても、回路構成や制御タイミングの複雑化を伴うことなく、カラー画像の再現が可能な固体撮像素子を提供することができる。

（第１の実施の形態）
図１は、第１の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、検出感度の低い多数の低感度光電変換素子１０及び検出感度の低い高感度の光電変換を行う低感度光電変換素子１０と同じ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、以下では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し、信号出力部５０において低感度ＰＤ１０から得られた電荷と高感度ＰＤ２０から得られた電荷の増幅率をそれぞれ変えても良い。

低感度ＰＤ１０のグループは、行方向Ｘに配列された多数の低感度ＰＤ１０からなるＰＤ行を列方向Ｙに多数配列したものである。高感度ＰＤ２０のグループは、行方向Ｘに配列された多数の高感度ＰＤ２０からなるＰＤ行を列方向Ｙに多数配列したものである。図１に示すように、低感度ＰＤ１０のグループは、列方向Ｙに並ぶ多数のＰＤ行ＬＢｎ（ｎは自然数）で構成され、高感度ＰＤ２０のグループは、列方向Ｙに並ぶ多数のＰＤ行ＬＡｎ（ｎは自然数）で構成されている。

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、２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。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。

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。

図１に示す固体撮像素子では、高感度ＰＤ２０からなるＰＤ行のうち、奇数番目のＰＤ行（例えばＬＡ１）の各ＰＤ２０の電荷読み出し用の電極（垂直転送電極１０３）と、低感度ＰＤ１０からなるＰＤ行のうち偶数番目のＰＤ行（例えばＬＢ２）の各ＰＤ１０の電荷読み出し用の電極（垂直転送電極１０１）とが端子１１３に共通に接続されており、低感度ＰＤ１０からなるＰＤ行のうち奇数番目のＰＤ行（例えばＬＢ１）の各ＰＤ１０の電荷読み出し用の電極（垂直転送電極１０１）と、高感度ＰＤ２０からなるＰＤ行のうち偶数番目のＰＤ行（例えばＬＡ２）の各ＰＤ２０の電荷読み出し用の電極（垂直転送電極１０３）とが端子１１１に共通に接続されている。

つまり、端子１１３に印加する制御パルスにより、高感度ＰＤ２０からなるＰＤ行のうち奇数番目のＰＤ行と、低感度ＰＤ１０からなるＰＤ行のうち偶数番目のＰＤ行との組み合わせについて同じタイミングで電荷の読み出しを制御することができ、同様に、端子１１１に印加する制御パルスにより、低感度ＰＤ１０からなるＰＤ行のうち奇数番目のＰＤ行と、高感度ＰＤ２０からなるＰＤ行のうち偶数番目のＰＤ行との組み合わせについて同じタイミングで電荷の読み出しを制御することができる。

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及び水平転送電極（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、１ＰＤ行分の低感度ＰＤ１０と１ＰＤ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及び各ＰＤの電荷読み出し用の電極の接続関係について、図２を参照しながら説明する。図２は、図１に示す固体撮像素子の各光電変換素子の具体的な配列パターン及び各ＰＤの電荷読み出し用の電極の接続関係を模式的に示した平面図である。図２において図１と同様の構成には同一符号を付してある。また、図２において、各々の低感度ＰＤ１０は四角形の図形で表してあり、各々の高感度ＰＤ２０は円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、それぞれ「Ｒ」、「Ｇ」、「Ｂ」で表している。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。

各低感度ＰＤ１０及び高感度ＰＤ２０が検出する色成分の違いについては、各フォトダイオード自身の構造や電気的な特性により決定付けることも可能ではあるが、現実的には、各々のフォトダイオードの受光面の前面に配置される光学カラーフィルタの特性により検出する色成分を決定する方法が簡単である。従って、互いに検出特性が同じ多数の低感度ＰＤ１０並びに互いに検出特性が同じ多数の高感度ＰＤ２０を図２に示すように一定の間隔で配置し、これらの受光面の上側に配置される光学カラーフィルタについて、「Ｒ」色を透過するフィルタと、「Ｇ」色を透過するフィルタと、「Ｂ」色を透過するフィルタとを図２に示すような配列パターンに従って配置すればよい。

ここでは、理解を容易にするために、まず低感度ＰＤ１０のグループと高感度ＰＤ２０のグループとに分けて考える。図２に示すように低感度ＰＤ１０のグループはＰＤ行ＬＢ１、ＬＢ２、ＬＢ３、ＬＢ４、・・・からなり、高感度ＰＤ２０のグループはＰＤ行ＬＡ１、ＬＡ２、ＬＡ３、ＬＡ４、・・・からなる。

まず高感度ＰＤ２０のグループに注目すると、１番目のＰＤ行ＬＡ１には「Ｒ」、「Ｇ」、「Ｒ」、「Ｇ」、「Ｒ」、・・・の各色成分を検出する高感度ＰＤ２０が規則的に配置され、２番目のＰＤ行ＬＡ２には「Ｇ」、「Ｂ」、「Ｇ」、「Ｂ」、「Ｇ」、・・・の各色成分を検出する高感度ＰＤ２０が規則的に配置され、３番目のＰＤ行ＬＡ３には１番目のＰＤ行ＬＡ１と同じように高感度ＰＤ２０が規則的に配置され、４番目のＰＤ行ＬＡ４には２番目のＰＤ行ＬＡ２と同じように高感度ＰＤ２０が規則的に配置されている。つまり、公知のベイヤー配列に従って高感度ＰＤ２０が規則的に配置されている。

次に低感度ＰＤ１０のグループに注目すると、１番目のＰＤ行ＬＢ１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ＬＢ２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ＰＤ行ＬＢ３には１番目の行と同様に「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、４番目のＰＤ行ＬＢ４には２番目の行と同様に「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ている。つまり、低感度ＰＤ１０のグループについてもベイヤー配列に従って低感度ＰＤ１０が規則的に配置されている。

ところで、図２のような配列パターンに従って多数の低感度ＰＤ１０及び高感度ＰＤ２０が配列された固体撮像素子においては、各低感度ＰＤ１０又は高感度ＰＤ２０からの信号を１ＰＤ行おきに読み出す場合にカラー画像を構成する全ての色成分が得られない。

例えば、高感度ＰＤ２０のグループにおいて、１番目のＰＤ行ＬＡ１に注目すると、「Ｒ」色と「Ｇ」色の成分を検出する高感度ＰＤ２０だけが存在し、「Ｂ」色の成分を検出する高感度ＰＤ２０は存在しない。同様に、高感度ＰＤ２０のグループにおいて、２番目のＰＤ行ＬＡ２に注目すると、「Ｇ」色と「Ｂ」色の成分を検出する高感度ＰＤ２０だけが存在し、「Ｒ」色の成分を検出する高感度ＰＤ２０は存在しない。

同様に、低感度ＰＤ１０のグループにおいて、１番目のＰＤ行ＬＢ１に注目すると「Ｒ」色と「Ｇ」色の成分を検出する低感度ＰＤ１０だけが存在し、「Ｂ」色の成分を検出する低感度ＰＤ１０は存在しない。また、２番目のＰＤ行ＬＢ２に注目すると、「Ｇ」色と「Ｂ」色の成分を検出する低感度ＰＤ１０だけが存在し、「Ｒ」色の成分を検出する低感度ＰＤ１０は存在しない。

従って、いずれか１つのＰＤ行だけを単独で処理する場合には、「Ｒ」、「Ｇ」、「Ｂ」のうちの１つの色成分が欠落するためカラー画像を再現できない。勿論、固体撮像素子から出力される画像信号を隣接ＰＤ行の間で組み合わせて画素を補間するように画像処理を行うことは可能である。

しかし、デジタルカメラ等の撮影装置においては、画像読み取りの高速化やメモリ消費の抑制のために、最高解像度だけでなく、それよりも低い解像度でも画像読み取りを行う必要があり、低い解像度で画像を読み取る場合には、ＰＤ行単位で例えば１ＰＤ行おきに間引きを行いながら信号を読み取ることになる。

例えば、１ＰＤ行おきに間引きを行う場合を想定すると、図２において高感度ＰＤ２０が属するグループのうち奇数番目のＰＤ行ＬＡ１、ＬＡ３、・・・だけを読み出すと、「Ｂ」色の成分が不足し、偶数番目のＰＤ行ＬＡ２、ＬＡ４、・・・だけを読み出すと「Ｒ」色の成分が不足する。低感度ＰＤ１０が属するグループについても同様である。

そこで、図２に示すように、低感度ＰＤ１０が属するグループの各ＰＤ行と高感度ＰＤ２０が属するグループの各ＰＤ行とで構成される隣接するペア行のうち、低感度ＰＤ１０のＰＤ行における色成分の組み合わせと高感度ＰＤ２０のＰＤ行における色成分の組み合わせとが異なるような組み合わせで隣接するペア行から同時に信号を読み出せるように、電荷読み出し用の電極を電気的に接続してある。

例えば、低感度ＰＤ１０が属するグループのＰＤ行ＬＢ２では「Ｇ」色と「Ｂ」色の成分だけが得られ、高感度ＰＤ２０が属するグループのＰＤ行ＬＡ１では「Ｒ」色と「Ｇ」色の成分だけが得られるのでこれらのＰＤ行の色成分の組み合わせは互いに異なっているが、ＰＤ行ＬＢ２の各低感度ＰＤ１０の電荷読み出し用の電極に接続された配線２０３と、ＰＤ行ＬＡ１の各高感度ＰＤ２０の電荷読み出し用の電極に接続された配線２０２とが共通の端子１１３に接続されている。

また、低感度ＰＤ１０が属するグループのＰＤ行ＬＢ３では「Ｒ」色と「Ｇ」色の成分だけが得られ、高感度ＰＤ２０が属するグループのＰＤ行ＬＡ２では「Ｇ」色と「Ｂ」色の成分だけが得られるのでこれらのＰＤ行の色成分の組み合わせは互いに異なっているが、ＰＤ行ＬＢ３の各低感度ＰＤ１０の電荷読み出し用の電極に接続された配線２０５と、ＰＤ行ＬＡ２の各高感度ＰＤ２０の電荷読み出し用の電極に接続された配線２０４とが共通の端子１１１に接続されている。

同様に、ＰＤ行ＬＢ４の各低感度ＰＤ１０の電荷読み出し用の電極に接続された配線２０７と、ＰＤ行ＬＡ３の各高感度ＰＤ２０の電荷読み出し用の電極に接続された配線２０６とが共通の端子１１３に接続されている。ＰＤ行ＬＡ４の各高感度ＰＤ２０の電荷読み出し用の電極に接続された配線２０８と、ＰＤ行ＬＢ１の各低感度ＰＤ１０の電荷読み出し用の電極に接続された配線２０１とは、共通の端子１１１に接続されている。

つまり、低感度ＰＤ１０が属するグループにおいては、２ｍ−１番目（ｍは自然数）のＰＤ行からの電荷読みだしを制御するための電荷読み出し用の電極を端子１１１に接続し、２ｍ（ｍは自然数）番目のＰＤ行からの電荷読みだしを制御するための電荷読み出し用の電極を端子１１３に接続し、高感度ＰＤ２０が属するグループにおいては、２ｍ番目（ｍは自然数）のＰＤ行からの電荷読みだしを制御するための電荷読み出し用の電極を端子１１１に接続し、２ｍ−１番目（ｍは自然数）のＰＤ行からの電荷読みだしを制御するための電荷読み出し用の電極を端子１１３に接続した構成となっている。

従って、１ＰＤ行おきに間引きを行うような場合には、垂直転送パルス用端子１１１及び１１３のいずれか一方にだけ読み出しパルスを印加すればよい。例えば、端子１１３に読み出しパルスを印加すると、奇数番目のペア行ＰＬ１’、ＰＬ３’、・・・だけに読み出しパルスを印加することになるので、偶数番目のペア行ＰＬ２’、ＰＬ４’、・・・については間引きを行うことができる。

この場合、ペア行ＰＬ１’から読み出しを行う際には、ＰＤ行ＬＢ２から「Ｇ」色と「Ｂ」色の成分を取り出すことができ、ＰＤ行ＬＡ１からは「Ｒ」色と「Ｇ」色の成分を取り出すことができるので、画素毎に「Ｒ」、「Ｇ」、「Ｂ」の全ての色成分を取得してカラー画像を再現できる。つまり、１ＰＤ行おきに間引きを行う場合であっても、読み出しのタイミングを複雑化する必要はなく構造を複雑にする必要もない。

なお、このように間引きを行った場合は、低感度の信号と高感度の信号を合成してダイナミックレンジの拡大を図ることはできない。このため、低感度ＰＤ１０と高感度ＰＤ２０から得られた信号から、補間処理等を行って、得られた信号数分の画素からなる画像データを生成する必要がある。しかし、低感度ＰＤ１０の検出感度と高感度ＰＤ２０の検出感度との間には感度差が設けてあるので、不足する色成分を隣接するＰＤ行から得て色を補間しようとする場合には、感度差のある複数の信号が混在することになり、そのままでは正しいカラーバランスが得られない。このため、上述したような間引き読み出しを行う場合には、カラーバランスを正しく補正するために、例えば信号出力部５０の増幅度をＰＤ行毎に調整し、低感度ＰＤ１０と高感度ＰＤ２０とで感度差がなくなるように制御すればよい。

また、ＰＤ行の間引きを行わない場合には、端子１１１及び１１３にそれぞれ読み出しパルスを印加することにより、全てのＰＤ行から信号を読み出すことができるので、色成分毎に感度差の異なる信号を組み合わせてダイナミックレンジの広い画像信号を再現できる。例えば、ＰＤ行ＬＢ１とＰＤ行ＬＡ１との組み合わせにより、画素位置毎に「Ｒ」色と「Ｇ」色の各成分についてダイナミックレンジの広い信号を得ることができ、ＰＤ行ＬＢ２とＰＤ行ＬＡ２との組み合わせにより、画素位置毎に「Ｇ」色と「Ｂ」色の各成分についてダイナミックレンジの広い信号を得ることができ、更に、隣接するＰＤ行ＬＢ１、ＬＡ１、ＬＢ２、ＬＡ２の組み合わせで画素毎に「Ｒ」、「Ｇ」、「Ｂ」の全ての色成分を生成することができる。

（第２の実施の形態）
本発明の固体撮像素子に関するもう１つの実施の形態について、図３を参照しながら以下に説明する。図３は第２の実施の形態における固体撮像素子上の配列パターン及び電荷読み出し用の電極の接続関係の具体例を模式的に示す平面図である。

この形態は第１の実施の形態の変形例であり、低感度ＰＤ１０と高感度ＰＤ２０の配列パターンが図３に示すように変更された以外は第１の実施の形態と同一である。また、図３において第１の実施の形態と対応する要素は同一の符号を付けて示してある。変更された配列パターンについて以下に説明する。

まず低感度ＰＤ１０のグループに注目すると、ＰＤ行ＬＢ１には「Ｇ」色を検出する低感度ＰＤ１０だけが配置してあり、ＰＤ行ＬＢ２には「Ｒ」色を検出する低感度ＰＤ１０と「Ｂ」色を検出する低感度ＰＤ１０とが交互に配置してあり、ＰＤ行ＬＢ３にはＰＤ行ＬＢ１と同様に「Ｇ」色を検出する低感度ＰＤ１０だけが配置してあり、ＰＤ行ＬＢ４にはＰＤ行ＬＢ２と同様に「Ｒ」色を検出する低感度ＰＤ１０と「Ｂ」色を検出する低感度ＰＤ１０とが交互に配置してある。つまり、奇数番目のＰＤ行ＬＢ１、ＬＢ３、・・・に「Ｇ」色を検出する低感度ＰＤ１０だけが配置され、偶数番目のＰＤ行ＬＢ２、ＬＢ４、・・・に「Ｒ」色を検出する低感度ＰＤ１０と「Ｂ」色を検出する低感度ＰＤ１０とが交互に配置してある。また、隣接する偶数番目のＰＤ行と奇数番目のＰＤ行との中に「Ｒ」、「Ｇ」、「Ｂ」の全ての色が含まれるように配置してある。また、偶数番目のＰＤ行については「Ｒ」色の素子の位置と「Ｂ」色の素子の位置とが１ＰＤ行毎に交互にずれるように配置してある。

次に高感度ＰＤ２０のグループに注目すると、低感度ＰＤ１０のグループと同じ配列パターンになっているのが分かる。すなわち、偶数番目のＰＤ行ＬＡ２、ＬＡ４、・・・に「Ｒ」色を検出する高感度ＰＤ２０と「Ｂ」色を検出する高感度ＰＤ２０とが交互に配置してあり、奇数番目のＰＤ行ＬＡ１、ＬＡ３、・・・には「Ｇ」色を検出する高感度ＰＤ２０だけが配置されている。また、隣接する偶数番目のＰＤ行と奇数番目のＰＤ行との中に「Ｒ」、「Ｇ」、「Ｂ」の全ての色が含まれるように配置してある。

このような配列パターンであっても、第１の実施の形態と同様に、間引き読み出しを簡単に行うことができると共に、間引き読み出しを行わない場合には、ダイナミックレンジの拡大を図ることができる。

なお、第１の実施の形態及び第２の実施の形態で示した固体撮像素子においては、ダイナミックレンジの拡大を図るために、低感度ＰＤ１０のグループと高感度ＰＤ２０とのグループを組み合わせる構成としたが、低感度ＰＤ１０と高感度ＰＤ２０の検出感度に感度差を設けない構成であっても良い。

なお、各フォトダイオード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、以上の説明では、低感度ＰＤ１０が検出する色成分がＲＧＢの３つであり、高感度ＰＤ２０が検出する色成分がＲＧＢの３つであるが、これらの色成分は４つ以上であっても良い。

第１の実施の形態における固体撮像素子の概略構成を模式的に示す平面図。図１の固体撮像素子の光電変換素子の配列パターン及び電荷読み出し用電極の具体例を模式的に示す平面図。第２の実施の形態における固体撮像素子の光電変換素子の配列パターン及び電荷読み出し用電極の具体例を模式的に示す平面図。従来例の固体撮像素子における光電変換素子の配列パターンを模式的に示す平面図。

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
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
１２１，１２２水平転送パルス用端子
２０１〜２０８配線

Claims

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のグループ及び前記第２のグループは、それぞれ、前記行方向に配列された多数の光電変換素子からなる光電変換素子行が、前記列方向に多数配列され、且つ、それぞれ異なる色成分を検出する少なくとも３種類の光電変換素子を所定の配列パターンにしたがって配列したグループであり、
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、

前記配列パターンは、前記第１のグループ及び前記第２のグループの各々において互いに隣接する２つの前記光電変換素子行の中に前記少なくとも３種類の光電変換素子が含まれるように決定され、
前記第１のグループに含まれる１つの前記光電変換素子行を第１の注目行とし、前記第２のグループに含まれる前記多数の光電変換素子行の中で前記第１の注目行と隣接する光電変換素子行を第２の注目行とし、前記第２の注目行の中で、その中に含まれている光電変換素子の色成分の組み合わせが前記第１の注目行とは異なる行を第３の注目行とする場合に、前記第１の注目行に属している光電変換素子の電荷読み出し用の電極と、前記第３の注目行に属している光電変換素子の電荷読み出し用の電極とを共通の端子に電気的に接続した固体撮像素子。
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と、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の間に感度差を設けた固体撮像素子。
請求項１又は２記載の固体撮像素子であって、
前記配列パターンとしてベイヤー状の配列パターンを用いた固体撮像素子。
請求項１〜３のいずれか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前記多数の光電変換素子行の各々からの電荷読みだしを制御するための電荷読み出し用の電極を、１つの前記光電変換素子行おきに交互に第１共通端子及び第２共通端子に接続し、前記第２のグループに含まれる前記多数の光電変換素子行の各々からの電荷読みだしを制御するための電荷読み出し用の電極を、１つの前記光電変換素子行おきに交互に前記第２共通端子及び前記第１共通端子に接続した固体撮像素子。