JP4667268B2

JP4667268B2 - 固体撮像素子

Info

Publication number: JP4667268B2
Application number: JP2006047080A
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: 2011-04-06
Anticipated expiration: 2026-02-23
Also published as: JP2007228261A

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。

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群が並んだ行とこれに隣接して低感度の光電変換素子群が並んだ行とがペアになっている。例えば、高感度の光電変換素子群の行Ｌ１１と低感度の光電変換素子群の行Ｌ２１とがペア行ＰＬ１を形成し、同様に、高感度の光電変換素子群の行Ｌ１２と低感度の光電変換素子群の行Ｌ２２とがペア行ＰＬ２を形成し、高感度の光電変換素子群の行Ｌ１３と低感度の光電変換素子群の行Ｌ２３とがペア行ＰＬ３を形成し、高感度の光電変換素子群の行Ｌ１４と低感度の光電変換素子群の行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群の上から奇数番目の行（Ｌ１１，Ｌ１３）並びに低感度の光電変換素子群の上から奇数番目の行（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群の上から偶数番目の行（Ｌ１２，Ｌ１４）並びに低感度の光電変換素子群の上から偶数番目の行（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、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り、その結果、制御のタイミングが複雑化するという問題が発生する。

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、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、少なくとも３つ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規則的に多数配列した固体撮像素子であって、画像の品質を考慮した第１の配列パターンに従って前記少なくとも３つの色成分をそれぞれ検出する光電変換素子が多数配置された第１撮像部と、前記第１の配列パターンとは異なる第２の配列パターンに従って前記少なくとも３つの色成分をそれぞれ検出する光電変換素子が多数配置された第２撮像部とを含み、前記第１撮像部に含まれる各光電変換素子は、前記第２撮像部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撮像部に含まれる各光電変換素子に前記第１撮像部に含まれる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撮像部に属し第１の色成分を検出する１つの光電変換素子を第１の注目素子とし、前記第１撮像部に属し第１の色成分を検出する光電変換素子の中で前記第１の注目素子と隣接する位置に存在する１つの光電変換素子を第２の注目素子とし、前記第１の注目素子に隣接する光電変換素子の中で前記第２撮像部に属し第１の色成分を検出する１つの光電変換素子を第３の注目素子とし、前記第２の注目素子に隣接する光電変換素子の中で前記第２撮像部に属し第１の色成分を検出する１つの光電変換素子を第４の注目素子としてそれぞれ注目した場合に、前記第１の注目素子の位置に対して前記第３の注目素子が存在する方向と、前記第２の注目素子の位置に対して前記第４の注目素子が存在する方向とが異なり、前記第１撮像部に属し第２の色成分を検出する１つの光電変換素子を第５の注目素子とし、前記第１撮像部に属し第２の色成分を検出する光電変換素子の中で前記第５の注目素子と隣接する位置に存在する１つの光電変換素子を第６の注目素子とし、前記第５の注目素子に隣接する光電変換素子の中で前記第２撮像部に属し第２の色成分を検出する１つの光電変換素子を第７の注目素子とし、前記第６の注目素子に隣接する光電変換素子の中で前記第２撮像部に属し第２の色成分を検出する１つの光電変換素子を第８の注目素子としてそれぞれ注目した場合に、前記第５の注目素子の位置に対して前記第７の注目素子が存在する方向と、前記第６の注目素子の位置に対して前記第８の注目素子が存在する方向とが異なるように、前記第２の配列パターンにおける各光電変換素子の相互の位置関係を決定した。

本発明の固体撮像素子は、前記第１の注目素子の位置に対して前記第３の注目素子が存在する方向と、前記第２の注目素子の位置に対して前記第４の注目素子が存在する方向とが実質的に反対方向になり、前記第５の注目素子の位置に対して前記第７の注目素子が存在する方向と、前記第６の注目素子の位置に対して前記第８の注目素子が存在する方向とが実質的に反対方向になるように、前記第２の配列パターンにおける各光電変換素子の相互の位置関係を決定した。

本発明の固体撮像素子は、前記第１撮像部に属する各光電変換素子の検出感度を第１の感度特性とし、前記第２撮像部に属する各光電変換素子の検出感度を第２の感度特性とした場合に、事前に決定した第１の感度特性と第２の感度特性との間に感度差を設けた。

本発明の固体撮像素子は、前記第１撮像部に属する各光電変換素子に対する露光時間を制御する電極に接続される端子と、前記第２撮像部に属する各光電変換素子に対する露光時間を制御する電極に接続される端子とを独立に設けた。

本発明の固体撮像素子は、前記少なくとも３つの色成分が、赤色成分、緑色成分、青色成分であり、前記第一の色成分が前記赤色成分であり、前記第二の色成分が前記青色成分であり、前記第１の配列パターンがベイヤー状の配列パターンである。

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、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。

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、検出感度の低い多数の低感度光電変換素子１０及び検出感度の高い多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（図１では、一部にのみ符号を付してある。）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。本実施形態では、低感度ＰＤと高感度ＰＤとの検出感度の感度差を、それぞれの露光時間を変えることで変更できるものとしている。

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、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。

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と端子１１３に印加する読み出しパルスの印加タイミングをずらすことで、低感度ＰＤ１０の露光時間と、高感度ＰＤ２０の露光時間とを変えることができ、低感度ＰＤ１０の光の検出感度と高感度ＰＤ２０の光の検出感度とに感度差を与えることができる。尚、この固体撮像素子の工場出荷時では、低感度ＰＤ１０と高感度ＰＤ２０に所定の感度差が予め設定されているものとする。

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、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及び図３を参照しながら説明する。なお、図２と図３とは同一の配列パターンを表している。また、図２及び図３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、そのＰＤが検出する色成分を表す「Ｒ」、「Ｇ」、「Ｂ」を記してある。

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のが簡単である。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及び図３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及び図３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。又、高感度ＰＤ２０のグループに属する１つの行とこれに隣接する低感度ＰＤ１０のグループに属する１つの行とがペアになっている。例えば、高感度ＰＤのグループの行Ｌ１１と低感度ＰＤのグループの行Ｌ２１とがペア行ＰＬ１を形成し、同様に、高感度ＰＤ２０のグループの行Ｌ１２と低感度ＰＤ１０のグループの行Ｌ２２とがペア行ＰＬ２を形成し、高感度ＰＤ２０のグループの行Ｌ１３と低感度ＰＤ１０のグループの行Ｌ２３とがペア行ＰＬ３を形成し、高感度ＰＤ２０のグループの行Ｌ１４と低感度ＰＤ１０のグループの行Ｌ２４とがペア行ＰＬ４を形成する。

まず高感度ＰＤ２０のグループに注目すると、１番目の行Ｌ１１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番目の行Ｌ１２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番目の行Ｌ１３には１番目の行Ｌ１１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番目の行Ｌ２１には「Ｒ」、「Ｇ」、「Ｂ」、「Ｇ」、「Ｒ」、「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、２番目の行Ｌ２２には「Ｇ」、「Ｂ」、「Ｇ」、「Ｒ」、「Ｇ」、「Ｂ」、「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、３番目の行Ｌ２３には「Ｂ」、「Ｇ」、「Ｒ」、「Ｇ」、「Ｂ」、「Ｇ」、「Ｒ」、「Ｇ」、・・・の各色成分を検出する低感度ＰＤ１０が規則的に配置され、４番目の行Ｌ２４には「Ｇ」、「Ｒ」、「Ｇ」、「Ｂ」、「Ｇ」、「Ｒ」、「Ｇ」、「Ｂ」、・・・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。

低感度ＰＤ１０のグループについては、１番目の行Ｌ２１における各色成分の並びと、３番目の行Ｌ２３における各色成分の並びとは、矢印Ｘ方向に２つ分だけずれていることを除いて同じパターンであり、同様に、２番目の行Ｌ２２における各色成分の並びと、４番目の行Ｌ２４における各色成分の並びとは、矢印Ｘ方向に２つ分だけずれていることを除いて同じパターンである。

いずれにしても、低感度ＰＤ１０のグループについては、ベイヤー配列とは大きく異なる配列パターンになっている。例えば、高感度ＰＤ２０のグループにおいて、１番目の行Ｌ１１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番目の行Ｌ１２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。

一方、低感度ＰＤ１０のグループにおいては、いずれの行についても「Ｒ」、「Ｇ」、「Ｂ」のそれぞれの色成分を検出する低感度ＰＤ１０が存在している。

従って、高感度ＰＤ２０のグループについては、１行おきに間引きを行うと「Ｒ」、「Ｇ」、「Ｂ」のいずれかの色成分が欠落するためカラー画像を再現できないのに対し、低感度ＰＤ１０のグループでは１行おきに間引きを行っても「Ｒ」、「Ｇ」、「Ｂ」の全ての色成分を取得し、カラー画像を再現できる。また、全てのペア行にＲＧＢの３色成分を検出するＰＤが含まれているため、１ペア行おきに間引きを行った場合でも、カラー画像を再現できる。

ここで、検出する色成分が同一の互いに隣接する高感度ＰＤ２０と低感度ＰＤ１０との組み合わせをペア素子ＰＰとして定義すると、図２に示すように、全ての行の全ての高感度ＰＤ２０についてそれぞれペア素子ＰＰが存在していることが分かる。

次に、図２に示されたペア素子のうち、図３に示すように３つのペア素子ＰＰ１、ＰＰ２、ＰＰ３に注目する。ペア素子ＰＰ１はＲ色を検出する１つの高感度ＰＤ２０（Ｒ１）と、同じＲ色を検出する１つの低感度ＰＤ１０（Ｒ１）とで構成され、ペア素子ＰＰ２はＲ色を検出する１つの高感度ＰＤ２０（Ｒ２）と、同じＲ色を検出する１つの低感度ＰＤ１０（Ｒ２）とで構成され、ペア素子ＰＰ３はＲ色を検出する１つの高感度ＰＤ２０（Ｒ３）と、同じＲ色を検出する１つの低感度ＰＤ１０（Ｒ３）とで構成されている。

また、ペア素子ＰＰ１を構成する高感度ＰＤ２０（Ｒ１）と、ペア素子ＰＰ２を構成する高感度ＰＤ２０（Ｒ２）と、ペア素子ＰＰ３を構成する高感度ＰＤ２０（Ｒ３）とは、同じ行の中で同色（Ｒ）について互いに隣接する位置に存在している。

更に、ペア素子ＰＰ１については、Ｒ色を検出する高感度ＰＤ２０（Ｒ１）に対して同色を検出する低感度ＰＤ１０（Ｒ１）が存在する方向が矢印Ａ１の方向であり、ペア素子ＰＰ２については、Ｒ色を検出する高感度ＰＤ２０（Ｒ２）に対して同色を検出する低感度ＰＤ１０（Ｒ２）が存在する方向が矢印Ａ２の方向であり、ペア素子ＰＰ３については、Ｒ色を検出する高感度ＰＤ２０（Ｒ３）に対して同色を検出する低感度ＰＤ１０（Ｒ３）が存在する方向が矢印Ａ３の方向である。

図３に示すように、矢印Ａ１と矢印Ａ３とは同じ方向であり、矢印Ａ２の方向はそれらと反対の方向に向いている。つまり、Ｒ色を検出するペア素子（例えばＰＰ１）については、１つの高感度ＰＤ（例えば２０（Ｒ１））から隣接位置にある低感度ＰＤ（例えば１０（Ｒ１））を見た方向（例えばＡ１）と、同色の隣接するペア素子（例えばＰＰ２）について高感度ＰＤ（例えば２０（Ｒ２））から隣接位置にある低感度ＰＤ（例えば１０（Ｒ２））を見た方向（例えばＡ２）とが異なっている。

上述のようなＲ色のペア素子に関する位置関係と同様に、Ｂ色を検出するペア素子ＰＰについても、１つの高感度ＰＤ２０から隣接位置にある低感度ＰＤ１０を見た方向と、同色の隣接するペア素子について１つの高感度ＰＤ２０から隣接位置の低感度ＰＤ１０を見た方向とが異なっているのが図２及び図３に示す内容から分かる。

また、Ｇ色を検出するペア素子ＰＰについては、１つの高感度ＰＤ２０から隣接位置にある低感度ＰＤ１０を見た方向と、同色の隣接するペア素子について１つの高感度ＰＤ２０から隣接位置の低感度ＰＤ１０を見た方向とが同一になっているのが図２及び図３に示す内容から分かる。

以上説明した構成の固体撮像素子の駆動方法の例を以下に列挙する。
１．全てのペア行から信号を読み出す。
２．低感度ＰＤ１０が属するグループの全ての行から信号を読み出す。但し、この場合、低感度ＰＤ１０からの信号だけで品質の良い画像が得られるように低感度ＰＤ１０の露光時間を調整する。
３．低感度ＰＤ１０が属するグループの１行おきに信号を読み出す。但し、この場合、低感度ＰＤ１０からの信号だけで品質の良い画像が得られるように低感度ＰＤ１０の露光時間を調整する。
４．１ペア行おきに信号を読み出す。但し、この場合、この信号だけで品質の良い画像が得られるように、高感度ＰＤ２０と低感度ＰＤ１０の露光時間を同じ値に調整する。

本実施形態の固体撮像素子によれば、全ての高感度ＰＤ２０について、ペア素子ＰＰを構成する低感度ＰＤ１０が隣接する位置に存在しているため、上記１．の駆動を行った場合でも、互いに隣接する同色成分を検出する低感度ＰＤ１０及び高感度ＰＤ２０からの信号を合成してダイナミックレンジを広げることができる。
また、本実施形態の固体撮像素子によれば、低感度ＰＤ１０が属するグループについては、それぞれの行に「Ｒ」、「Ｇ」、「Ｂ」の全ての色成分を検出する低感度ＰＤ１０が存在するため、上記３．のような駆動を行ってもカラー画像を再現でき、制御タイミングを複雑にすることなく間引き読み出しが可能となる。また、本実施形態の固体撮像素子によれば、露光時間を制御して低感度ＰＤ１０と高感度ＰＤ２０に感度差をつけているため、上記２．及び３．のような駆動を行っても、感度調整を行うことで、良好な撮影が可能となる。
また、本実施形態の固体撮像素子によれば、全てのペア行に「Ｒ」、「Ｇ」、「Ｂ」の全ての色成分を検出するＰＤが存在するため、上記４．のような駆動を行ってもカラー画像を再現でき、制御タイミングを複雑にすることなく間引き読み出しが可能となる。また、本実施形態の固体撮像素子によれば、露光時間を制御して低感度ＰＤ１０と高感度ＰＤ２０に感度差をつけているため、上記４．のような駆動を行う場合には、感度差をなくすことで、良好な撮影が可能となる。

なお、図２及び図３に示した固体撮像素子においては、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ているが、光の検出感度が同じフォトダイオードを２つのグループに分けて、それぞれのグループを互いに異なる配列パターンで配置しても良い。また、図２及び図３に示した固体撮像素子においては、高感度ＰＤ２０のグループをベイヤー配列の配列パターンに従って配置し、低感度ＰＤ１０のグループを違う配列パターンに従って配置しているが、逆に低感度ＰＤ１０のグループをベイヤー配列の配列パターンに従って配置し、高感度ＰＤ２０のグループをベイヤー配列とは異なる配列パターンに従って配置しても良い。また、ベイヤー配列よりも好ましい他の配列パターンが存在する場合には、ベイヤー配列の代わりに他の配列パターンを採用しても良い。

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。

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各光電変換素子の具体的な配列パターンの例を模式的に示す平面図図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の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
３１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
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

半導体基板上の行方向とこれに直交する列方向に、少なくとも３つ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規則的に多数配列した固体撮像素子であって、
画像の品質を考慮した第１の配列パターンに従って前記少なくとも３つの色成分をそれぞれ検出する光電変換素子が多数配置された第１撮像部と、前記第１の配列パターンとは異なる第２の配列パターンに従って前記少なくとも３つの色成分をそれぞれ検出する光電変換素子が多数配置された第２撮像部とを含み、
前記第１撮像部に含まれる各光電変換素子は、前記第２撮像部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撮像部に含まれる各光電変換素子に前記第１撮像部に含まれる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撮像部に属し第１の色成分を検出する１つの光電変換素子を第１の注目素子とし、前記第１撮像部に属し第１の色成分を検出する光電変換素子の中で前記第１の注目素子と隣接する位置に存在する１つの光電変換素子を第２の注目素子とし、前記第１の注目素子に隣接する光電変換素子の中で前記第２撮像部に属し第１の色成分を検出する１つの光電変換素子を第３の注目素子とし、前記第２の注目素子に隣接する光電変換素子の中で前記第２撮像部に属し第１の色成分を検出する１つの光電変換素子を第４の注目素子としてそれぞれ注目した場合に、前記第１の注目素子の位置に対して前記第３の注目素子が存在する方向と、前記第２の注目素子の位置に対して前記第４の注目素子が存在する方向とが異なり、
前記第１撮像部に属し第２の色成分を検出する１つの光電変換素子を第５の注目素子とし、前記第１撮像部に属し第２の色成分を検出する光電変換素子の中で前記第５の注目素子と隣接する位置に存在する１つの光電変換素子を第６の注目素子とし、前記第５の注目素子に隣接する光電変換素子の中で前記第２撮像部に属し第２の色成分を検出する１つの光電変換素子を第７の注目素子とし、前記第６の注目素子に隣接する光電変換素子の中で前記第２撮像部に属し第２の色成分を検出する１つの光電変換素子を第８の注目素子としてそれぞれ注目した場合に、前記第５の注目素子の位置に対して前記第７の注目素子が存在する方向と、前記第６の注目素子の位置に対して前記第８の注目素子が存在する方向とが異なるように、
前記第２の配列パターンにおける各光電変換素子の相互の位置関係を決定した固体撮像素子。
請求項１記載の固体撮像素子であって、
前記第１の注目素子の位置に対して前記第３の注目素子が存在する方向と、前記第２の注目素子の位置に対して前記第４の注目素子が存在する方向とが実質的に反対方向になり、前記第５の注目素子の位置に対して前記第７の注目素子が存在する方向と、前記第６の注目素子の位置に対して前記第８の注目素子が存在する方向とが実質的に反対方向になるように、前記第２の配列パターンにおける各光電変換素子の相互の位置関係を決定した固体撮像素子。
請求項１又は２記載の固体撮像素子であって、
前記第１撮像部に属する各光電変換素子の検出感度を第１の感度特性とし、前記第２撮像部に属する各光電変換素子の検出感度を第２の感度特性とした場合に、事前に決定した第１の感度特性と第２の感度特性との間に感度差を設けた固体撮像素子。
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撮像部に属する各光電変換素子に対する露光時間を制御する電極に接続される端子と、前記第２撮像部に属する各光電変換素子に対する露光時間を制御する電極に接続される端子とを独立に設けた固体撮像素子。
請求項１〜４のいずれか記載の固体撮像素子であって、
前記少なくとも３つの色成分が、赤色成分、緑色成分、青色成分であり、
前記第一の色成分が前記赤色成分であり、
前記第二の色成分が前記青色成分であり、
前記第１の配列パターンがベイヤー状の配列パターンである固体撮像素子。