JP4988317B2 - イメージング・センサ及びディジタル・カメラ - Google Patents

Description

本発明は、一般に、イメージング・センサ（画像センサ）に関し、より具体的には、高解像度イメージング・センサに関する。

デジタルカメラは、少なくともアマチュア写真撮影に関しては、ほとんどフィルム型アナログカメラに取って代っている。典型的なデジタルカメラのイメージング・センサは、画像セル（ピクセル）のアレイであり、各セルは全画像の光の小断片を感知する。一般に、ピクセルの数がより多いほど、得られる画像（写真）がより良くなり、ピクシレーションを行う前により大きな画像を見ることができる。このように、ピクセルの数は、画像解像度の主要な尺度であり、得られる画像の鮮明さ及び切れのよさに直接影響する。初期のデジタルカメラは、ピクセル・センサとして電荷結合素子（ＣＣＤｓ）を有するバケツリレー・センサを備えていた。集積化、電力、及びフレーム・レートを斟酌して、製造業界はＣＣＤｓから、より標準的なＣＭＯＳロジック半導体プロセスに基づくイメージング・センサへと転換している。

典型的なＣＭＯＳイメージング・センサのアレイは、単に、接続されたＣＭＯＳサポート回路及びセンサ回路を有するフォトダイオードのアレイである。各フォトダイオードに入射する光は、その電流電圧（Ｉ／Ｖ）特性を変化させ、ＣＭＯＳサポート回路は、各ダイオードの特性変化を感知する。赤、緑、又は青を感知するカラー・ピクセルは、単に、特定の帯域幅、即ち、赤、緑、又は青、の外の全ての光を遮断する赤、緑、又は青のフィルタを用いて適切にフィルタ処理されたダイオードである。ＣＭＯＳイメージング・センサは、ピクセル密度が４メガピクセル（４ＭＰ）を優に上回るほどに増加することを可能にし、通常のデジタルカメラは益々小型に成り、例えば、あるものは携帯電話にまでも組み込まれている。

残念ながら、密度を改善するようにピクセルの面積が縮小すると、フォトダイオードの表面積に直接に関係する各センサへの入射光量もまた減少する。それゆえ、特にＣＭＯＳセンサに関しては、ピクセル密度が増加すると、減少したセンサ光（センサ・シグナル）は、特に微光条件において、チップ・ノイズの中に見失われる可能性がある。例えば、６−８メガピクセルの解像度をもつ小型カメラは、１００（ＩＳＯ１００）のように低い感度設定において撮った写真でさえも、ノイズが多いと非難されている。従って、このノイズは、小型の用途のために小チップ面積を維持しながら、ＣＭＯＳイメージング・センサのピクセル密度を増加させる場合の障害となる。

従って、特に微光（low light）条件において、ＣＭＯＳイメージング・センサの感度を改善し、かつ、ＣＭＯＳセンサの微光ノイズを減少させることに対する要求がある。

従って、本発明の目的は、ＣＭＯＳイメージング・センサの感度を改善することである。

本発明のもう１つの目的は、ＣＭＯＳイメージング・センサの微光条件での感度を改善することである。

本発明のさらにもう１つの目的は、微光条件でのＣＭＯＳセンサ画像中のノイズを減少させることである。

本発明のさらにもう１つの目的は、ＣＭＯＳイメージング・センサの微光条件での感度を改善すると同時に、ＣＭＯＳセンサ画像のノイズを減少させることである。

本発明は、イメージング・センサ中のピクセル・アレイ、イメージング・センサ、及び、そのイメージング・センサを備えたデジタルカメラに関する。イメージング・センサは、カラー・ピクセル及び無フィルタ（カラー・フィルタ無しの）ピクセルを有するピクセル・アレイを含む。各々の無フィルタ・ピクセルは、一つ又は複数のアレイ位置を占める。カラー・ピクセルは、連続した行及び列中に配列し、その連続した行及び列の間に無フィルタ・ピクセルが配置されるようにすることができる。イメージング・センサは、微光ノイズを減少させ、且つ微光感度を改善するように、無フィルタ・ピクセルを備えたＣＭＯＳ型とすることができる。

前述及び他の目的、態様、及び利点は、添付の図面を参照しながら、本発明の好ましい実施形態についての以下の詳しい説明によって、より良く理解されるであろう。

ここで図を見てより詳細に説明すると、図１はカラー・ピクセル・アレイ１００の第１の実施例を示すが、そこでは、赤、緑、又は青のフィルタ付き光センサ・セル、即ち、それぞれ、ピクセル１０４、１０６及び１０８、と共に、本発明の好ましい実施形態により、感度を改善するための無フィルタ光センサ即ち光高効率セル（ＬＥＣｓ）１０２が含まれている。この実施例においては、ピクセル１０２、１０４、１０６及び１０８は、全て実質的に等しいサイズであり、各々は単一のアレイ位置を占める。同様に、アレイ１００は、各型のピクセル１０２、１０４、１０６及び１０８を等しい個数含み、その結果アレイの２５％が光高効率セル１０２となる。さらに本実施例においては、フォトダイオード１０２、１０４、１０６及び１０８は、赤−緑ピクセル行１１０及び青−緑ピクセル列１１２に配列され、これら行及び列が各ＬＥＣ１０２に隣接し、青−ＬＥＣピクセル行１１４、及び赤−ＬＥＣピクセル列１１６を形成するように配列されている。

フィルタは、フィルタされるスペクトルの範囲外の光が、カラー・フィルタ付きピクセル１０４、１０６及び１０８の光センサに到達することを妨げるので、カラー・フィルタを取り除くことは、可視スペクトル全域の光が、光高効率セル１０２中の光センサに到達することを可能にする。そのため、光高効率セル１０２は、ピクセル１０２に入射する全光子分布を受光し、所定位置のフィルタによって妨げられたはずの光さえも感知する。従って、４つのピクセル１０２、１０４，１０６及び１０８から成る各グループに関して集められる典型的な照射量は、例えば最先端のＢａｙｅｒの赤、緑、青のアレイを超えて増加する。白色光については、例えば、４つのピクセルから成るグループに関して集められるエネルギーは、５０％より多く増加する。そのため、特に微光において、光高効率セル１０２は、写真の深度解像度を改善するための遥かに鮮明な情報の収集を容易にする。本発明は、ＣＣＤｓを含むほぼ全ての適切な光センサ技術に用途をもつが、好ましくは、カラー・ピクセル・アレイ１００は、ＣＭＯＳとして知られる絶縁ゲート型電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）半導体技術において実現されるフォトダイオード・センサのアレイである。

図２は、本発明の別の好ましい実施形態による、微光条件においてより鮮明な画像情報を収集し、かつ、写真深度解像度（picture depth resolution）における付加的な改善を有する、カラー・ピクセル・アレイ１２０の別の実施例を示す。この好ましい実施形態においては、光高効率セル１２２は、それぞれ、赤、緑、又は青のフィルタ付きピクセルの１０４、１０６、及び１０８の２倍のピクセル面積を有し、赤−青対１２４、緑−赤対１２６、及び青−緑対１２８と共に、アレイ１２０に沿って対角線状に配置される。本実施例においてはまた、フィルタ付き光センサ・セル１０４、１０６、及び１０８の各々の対に対して、一つの光高効率セル１２２が存在する。従って、標準のカラー・セル１０４、１０６、及び１０８の２倍もの大きさを有する光高効率セル１２２は、このアレイ１２０の５０％を占め、２つの異なる方法で製造することができる。最も簡単な方法では、透明フィルタ面積（領域）の下で、２つの標準サイズのフォトダイオードにおいて適切な位置で色を選択的に除外する設計により、カラー・フィルタだけを変えてそのアレイとなるようにすることができる。カラー・フィルタの設計変更は、フォトダイオードの設計変更と組み合わせて交互に行うことができる。従って、カラー・フィルタの変更に加えて、フォトダイオードの面積は、より大きな透明フィルタ面積の下で、単一のより大きなフォトダイオード（２つの代りに）に拡大される。このより大きなフォトダイオードは、標準のフォトダイオードより大きく、従って、より大きな電荷容量を有する。

従って、２倍の大きさの光高効率セル１２２を含むために、ピクセル密度は低下するにもかかわらず、各光高効率セル１２２は、フィルタ付きピクセル１０４、１０６、及び１０８の各々の６倍より大きな照射量（無フィルタの照射量の３倍の２倍より大きな量）を、受ける。このように、単位面積当たりに受け取られるエネルギーは、例えば、最先端のＢａｙｅｒの赤、緑、青のアレイの３倍より大きく、特に微光において、顕著な改善が得られる。さらに、標準の又は強い光における空間解像度（spatial resolution）は、最先端のＢａｙｅｒのパターン・センサによって標準的に達成される解像度よりわずかに低くなるが、本実施形態における、微光条件での画像の改善、及び微光における深度解像度の改善は、そのような損失を埋め合せる以上のものとなる。

図３−図５は、さらにより大きな光高効率セル１３２、１４２、１５２をそれぞれ有する、カラー・ピクセル・アレイの例示的な変形体１３０、１４０、１５０を示す。これらの好ましい変形体においては、光高効率セル１３２、１４２、１５２は、カラー・フィルタ付きピクセル１０４、１０６及び１０８の面積の３倍から４倍の面積を有する。この実施例においてはまた、カラー・フィルタ付きピクセル１０４、１０６及び１０８は、配列１３０、１４０、１５０全体に渡って不均一に間隔を空けられ、より粗い（非ピクセル）レベルの解像度の画像に対しても深度解像度を高めるように、効果的に２色ピクセル・クラスタを形成する。図２に示されるアレイの変形体１２０のように、これらの変形体１３０、１４０、１５０の各々における大型透明ピクセル１３２、１４２、１５２は、単に、複数の標準サイズのフォトダイオードを覆う大型透明フィルタ形態によってか、又は大型透明フィルタの下の単一大型フォトダイオードによって、形成することができる。

従って、アレイ１３０は、青−緑ピクセル及び赤−緑ピクセルの交互の行及び列のパターンを有するが、さらに、連続した青−緑ピクセルの行及び列１３４と、連続した赤−緑ピクセルの行及び列１３６とによって境界付けられる４スポット光高効率セル１３２を有する。同様に、アレイ１４０は、青−緑ピクセルの交互の行及び列１４４、及び、赤−緑ピクセルの交互の行及び列１４６を有するが、ここで１４４及び１４６はジグザグ配置の光高効率セル１４２によって中断される。アレイ１５０もまた、本実施例においては、ジグザグ配置の３スポットＬ字型光高効率セル１５２によって中断される、青−緑ピクセルの行及び列１５４、及び、赤−緑ピクセルの行及び列１５６を有する。図２及び図３−図５の実施例は、それぞれ、単一ダイオードの光高効率セル１２２、１３２、１４２、及び１５２を用いて説明されているが、これは例示のためだけであって、限定を意図したものではない。それぞれの光高効率セル１２２、１３２、１４２、及び１５２は、例えば２個、３個、４個又はそれ以上の隣接した無フィルタ・ダイオードの集合によって形成することができる。さらに，ここでは、カラー・ピクセルに配置されているカラー・フィルタに言及しながら説明されているが、これは例示のためだけであって、限定を意図したものではない。その代りに、任意の光子選択性センサをカラー・ピクセルに用いることができ、例えば、可視周波数スペクトル全域にわたって高感度の光ダイオードを、狭い可視エネルギー帯にわたって高感度の光ダイオードと共に含めることができる。

図６は、図２の１２０等の好ましい実施形態のアレイの用途の一実施例を示す。このように、アレイ１２０は、イメージング・センサとしてデジタルカメラ１６０に組み込まれる。イメージング・センサのそのような用途は、デジタルカメラと同様に当技術分野で周知のことである。

有利なことに、好ましい実施形態の画像アレイ（imaging array）は、微光においても低ノイズで改善されたセンサ感度を有する。好ましい実施形態のＬＥＣｓは、個々のカラー・ピクセルに到達するフィルタされた光の弱さを補う。従って、本発明は、特に、ＣＭＯＳセンサの用途、例えば、高解像度小型カメラに適しており、実質的にチップ面積を拡大することは不要である。

本発明は、好ましい実施形態を用いて説明されてきたが、当業者は、本発明が添付の請求項の精神と範囲内の改変を用いて実施できることを認識するであろう。そのようなすべての変更と改変は、添付の請求項の範囲に含まれることが意図されている。実施例と図面は、従って、限定するためものではなく、むしろ、例示的なものと見なされるべきである。

本発明の好ましい実施形態による、感度を改善するための、赤、緑、又は青のフィルタ付き光センサと共に含まれる無フィルタ光センサ又は光高効率セルを有するカラー・ピクセル・アレイの第１の実施例を示す。 微光条件において、改善された写真深度解像度を伴ってさらに鮮明な画像情報を収集する、カラー・ピクセル・アレイのもう１つの実施例を示す。 光高効率セルの変形体を有する、他のカラー・ピクセル・アレイの実施例を示す。 光高効率セルの変形体を有する、他のカラー・ピクセル・アレイの実施例を示す。 光高効率セルの変形体を有する、他のカラー・ピクセル・アレイの実施例を示す。 好ましい実施形態のイメージング・センサ・アレイを備えた、デジタルカメラの１つの実施例を示す。

符号の説明

１００、１２０、１３０、１４０、１５０：カラー・ピクセル・アレイ
１０２、１２２、１３２、１４２、１５２：光高効率セル（ＬＥＣ）
１０４：ピクセル（赤色セル）
１０６：ピクセル（緑色セル）
１０８：ピクセル（青色セル）
１１０：赤−緑ピクセルの行
１１２：青−緑ピクセルの列
１１４：青−ＬＥＣピクセル行
１１６：赤−ＬＥＣピクセル列
１２４：赤−青の対
１２６：緑−赤の対
１２８：青−緑の対
１３４、１４４、１５４：青−緑ピクセルの行及び列
１３６，１４６、１５６：赤−緑ピクセルの行及び列
１６０：デジタルカメラ

Claims (16)

1. 赤ピクセル及び緑ピクセルが交互に並べられた赤−緑ピクセルの列が１列おきに配置され、前記赤−緑ピクセル列相互間に、青ピクセル及び緑ピクセルが交互に並べられた青−緑ピクセル列が配置され、前記赤−緑ピクセル列の緑ピクセルが前記青−緑ピクセル列の青ピクセルに行方向で隣接し、前記赤−緑ピクセル列の赤ピクセルが前記青−緑ピクセル列の緑ピクセルに行方向で隣接しているカラー・ピクセル・アレイを備え、
   行方向で隣接する上側の２個のピクセルと該上側の２個のピクセルの下にあり且つ該上側の２個のピクセルのそれぞれに隣接する下側の２個のピクセルとからなる４スポット型の無フィルタ・ピクセルが、前記カラー・ピクセル・アレイに亘って互いに離隔して配置され、
   前記４スポット型の無フィルタ・ピクセルの前記上側の２個のピクセルのうち左側のピクセル及び前記下側の２個のピクセルのうち右側のピクセルは、前記緑ピクセルの位置に設けられ、
   前記４スポット型の無フィルタ・ピクセルの前記上側の２個のピクセルのうち右側のピクセルが前記赤ピクセルの位置に設けられている場合は、前記下側の２個のピクセルのうち左側のピクセルは前記青ピクセルの位置に設けられ、
   前記４スポット型の無フィルタ・ピクセルの前記上側の２個のピクセルのうち右側のピクセルが前記青ピクセルの位置に設けられている場合は、前記下側の２個のピクセルのうち左側のピクセルは前記赤ピクセルの位置に設けられている、イメージング・センサ。
2. 前記赤ピクセルは赤のカラー・フィルタを有し、前記緑ピクセルは緑のカラー・フィルタを有し、前記青ピクセルは青のカラー・フィルタを有し、前記赤ピクセル、前記緑ピクセル及び前記青ピクセルは、同一のサイズである、請求項１に記載のイメージング・センサ。
3. 前記赤ピクセル、前記緑ピクセル、前記青ピクセル及び前記４スポット型の無フィルタ・ピクセルのぞれぞれは、光センサを有し、前記４スポット型の無フィルタ・ピクセルの光センサは、可視スペクトル全域の光を受光する、請求項１又は請求項２に記載のイメージング・センサ。
4. 前記カラー・ピクセル・アレイは、ＣＭＯＳカラー・ピクセル・アレイである、請求項１，請求項２又は請求項３に記載のイメージング・センサ。
5. 赤ピクセル及び緑ピクセルが交互に並べられた赤−緑ピクセルの列が１列おきに配置され、前記赤−緑ピクセル列相互間に、青ピクセル及び緑ピクセルが交互に並べられた青−緑ピクセル列が配置され、前記赤−緑ピクセル列の緑ピクセルが前記青−緑ピクセル列の青ピクセルに行方向で隣接し、前記赤−緑ピクセル列の赤ピクセルが前記青−緑ピクセル列の緑ピクセルに行方向で隣接しているカラー・ピクセル・アレイを備え、
   行方向で隣接する２個のピクセルと該２個のピクセルの右側のピクセルの下にあり且つ該右側のピクセルに隣接する１個のピクセルとからなるＬ字形の無フィルタ・ピクセルが、前記カラー・ピクセル・アレイに亘って互いに離隔して配置され、
   前記Ｌ字形の無フィルタ・ピクセルの前記行方向で隣接する２個のピクセルのうち左側のピクセル及び前記１個のピクセルは、前記緑ピクセルの位置に設けられ、
   前記Ｌ字形の無フィルタ・ピクセルの前記行方向で隣接する２個のピクセルのうち右側のピクセルは、前記赤ピクセル若しくは前記青ピクセルの位置に設けられている、イメージング・センサ。
6. 前記赤ピクセルは赤のカラー・フィルタを有し、前記緑ピクセルは緑のカラー・フィルタを有し、前記青ピクセルは青のカラー・フィルタを有し、前記赤ピクセル、前記緑ピクセル及び前記青ピクセルは、同一のサイズである、請求項５に記載のイメージング・センサ。
7. 前記赤ピクセル、前記緑ピクセル、前記青ピクセル及び前記Ｌ字型の無フィルタ・ピクセルのぞれぞれは、光センサを有し、前記Ｌ字型の無フィルタ・ピクセルの光センサは、可視スペクトル全域の光を受光する、請求項５又は請求項６に記載のイメージング・センサ。
8. 前記カラー・ピクセル・アレイは、ＣＭＯＳカラー・ピクセル・アレイである、請求項５，請求項６又は請求項７に記載のイメージング・センサ。
9. イメージング・センサを備えたディジタル・カメラであって、
   前記イメージング・センサは、
   赤ピクセル及び緑ピクセルが交互に並べられた赤−緑ピクセルの列が１列おきに配置され、前記赤−緑ピクセル列相互間に、青ピクセル及び緑ピクセルが交互に並べられた青−緑ピクセル列が配置され、前記赤−緑ピクセル列の緑ピクセルが前記青−緑ピクセル列の青ピクセルに行方向で隣接し、前記赤−緑ピクセル列の赤ピクセルが前記青−緑ピクセル列の緑ピクセルに行方向で隣接しているカラー・ピクセル・アレイを備え、
   行方向で隣接する上側の２個のピクセルと該上側の２個のピクセルの下にあり且つ該上側の２個のピクセルのそれぞれに隣接する下側の２個のピクセルとからなる４スポット型の無フィルタ・ピクセルが、前記カラー・ピクセル・アレイに亘って互いに離隔して配置され、
   前記４スポット型の無フィルタ・ピクセルの前記上側の２個のピクセルのうち左側のピクセル及び前記下側の２個のピクセルのうち右側のピクセルは、前記緑ピクセルの位置に設けられ、
   前記４スポット型の無フィルタ・ピクセルの前記上側の２個のピクセルのうち右側のピクセルが前記赤ピクセルの位置に設けられている場合は、前記下側の２個のピクセルのうち左側のピクセルは前記青ピクセルの位置に設けられ、
   前記４スポット型の無フィルタ・ピクセルの前記上側の２個のピクセルのうち右側のピクセルが前記青ピクセルの位置に設けられている場合は、前記下側の２個のピクセルのうち左側のピクセルは前記赤ピクセルの位置に設けられている、ディジタル・カメラ。
10. 前記赤ピクセルは赤のカラー・フィルタを有し、前記緑ピクセルは緑のカラー・フィルタを有し、前記青ピクセルは青のカラー・フィルタを有し、前記赤ピクセル、前記緑ピクセル及び前記青ピクセルは、同一のサイズである、請求項９に記載のディジタル・カメラ。
11. 前記赤ピクセル、前記緑ピクセル、前記青ピクセル及び前記４スポット型の無フィルタ・ピクセルのぞれぞれは、光センサを有し、前記４スポット型の無フィルタ・ピクセルの光センサは、可視スペクトル全域の光を受光する、請求項９又は請求項１０に記載のディジタル・カメラ。
12. 前記カラー・ピクセル・アレイは、ＣＭＯＳカラー・ピクセル・アレイである、請求項９，請求項１０又は請求項１１に記載のディジタル・カメラ。
13. イメージング・センサを備えたディジタル・カメラであって、
    前記イメージング・センサは、
    赤ピクセル及び緑ピクセルが交互に並べられた赤−緑ピクセルの列が１列おきに配置され、前記赤−緑ピクセル列相互間に、青ピクセル及び緑ピクセルが交互に並べられた青−緑ピクセル列が配置され、前記赤−緑ピクセル列の緑ピクセルが前記青−緑ピクセル列の青ピクセルに行方向で隣接し、前記赤−緑ピクセル列の赤ピクセルが前記青−緑ピクセル列の緑ピクセルに行方向で隣接しているカラー・ピクセル・アレイを備え、
    行方向で隣接する２個のピクセルと該２個のピクセルの右側のピクセルの下にあり且つ該右側のピクセルに隣接する１個のピクセルとからなるＬ字形の無フィルタ・ピクセルが、前記カラー・ピクセル・アレイに亘って互いに離隔して配置され、
    前記Ｌ字形の無フィルタ・ピクセルの前記行方向で隣接する２個のピクセルのうち左側のピクセル及び前記１個のピクセルは、前記緑ピクセルの位置に設けられ、
    前記Ｌ字形の無フィルタ・ピクセルの前記行方向で隣接する２個のピクセルのうち右側のピクセルは、前記赤ピクセル若しくは前記青ピクセルの位置に設けられている、ディジタル・カメラ。
14. 前記赤ピクセルは赤のカラー・フィルタを有し、前記緑ピクセルは緑のカラー・フィルタを有し、前記青ピクセルは青のカラー・フィルタを有し、前記赤ピクセル、前記緑ピクセル及び前記青ピクセルは、同一のサイズである、請求項１３に記載のディジタル・カメラ。
15. 前記赤ピクセル、前記緑ピクセル、前記青ピクセル及び前記Ｌ字型の無フィルタ・ピクセルのぞれぞれは、光センサを有し、前記Ｌ字型の無フィルタ・ピクセルの光センサは、可視スペクトル全域の光を受光する、請求項１３又は請求項１４に記載のディジタル・カメラ。
16. 前記カラー・ピクセル・アレイは、ＣＭＯＳカラー・ピクセル・アレイである、請求項１３，請求項１４又は請求項１５に記載のディジタル・カメラ。

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