JPWO2013099910A1 - 固体撮像装置 - Google Patents

Abstract

立体視用の画像を得る固体撮像装置において、高解像度化し、偽色を低減する。カラーフィルタアレイ（２０）は、Ｇフィルタ、Ｒフィルタ、Ｂを有する。これらのフィルタのうちいずれかがペアになる位相差画素に対応し、Ｇ，Ｒ，Ｂの各フィルタを含む基本配列パターン（ＢＰ１）が水平及び垂直方向に繰り返し配置されている。輝度情報の取得に最も寄与するＧフィルタが、画素配列の水平方向（Ｘ方向）、垂直方向（Ｙ方向）、及び斜め方向（ＤＬ方向，ＤＲ方向）の各ラインに配置されている。Ｒフィルタ、Ｂフィルタは、それぞれ斜め方向の各ラインに配置されている。Ｇフィルタの数は、Ｒフィルタ、Ｂフィルタのそれぞれの数よりも多い。

Description

本発明は、立体視用の画像を撮像する単板式の固体撮像装置に関する。

単板式の固体撮像装置は、光電変換素子（フォトダイオード）を２次元状に形成した基板上に、カラーフィルタアレイが配置されている。このカラーフィルタアレイは、各光電変換素子に特定の色フィルタ（フィルタセグメント）が対面するように、複数の色フィルタがモザイク状に配列されている。各画素は、光電変換素子と特定の色フィルタを有し、色フィルタに対応した特定の色信号を出力するから、その他の色信号が欠落している。そこで、表示用の多チャネル画像を得るには、欠落している色信号を周囲の画素から補間して取得する処理（デモザイク処理）を行う必要がある。

この場合に問題となるのが、被写体光に含まれる高周波信号に対する輝度や色の再現性である。具体的には、カラーフィルタアレイの色配列に応じて、各色の再現帯域を超えた高周波信号による折り返し（エイリアシング）が生じることにより、輝度や色の再現性が低下する。

単板式の固体撮像装置で広く用いられているカラーフィルタアレイの色配列は、原色系ベイヤー配列である。原色系ベイヤー配列とは、緑（Ｇ）フィルタを市松状に配置し、残りの部分に、赤（Ｒ）フィルタと青（Ｂ）フィルタとを均等に配置したものである。原色系ベイヤー配列では、Ｇフィルタが輝度信号への寄与率が大きいため、斜め方向に関しては、輝度の再現性が低く低解像度である。また、垂直及び水平方向の各ラインには、Ｇフィルタの他に、Ｒフィルタ及びＢフィルタのうちいずれか一方のみが配置されているため、色の再現性が悪く偽色が生じ得る。

このため、単板式の固体撮像装置では、光学ローパスフィルタを固体撮像装置の入射側に配置し、被写体光から高周波信号をカットすることが行われている。しかし、光学ローパスフィルタを用いると、解像度が低下するという弊害があることから、カラーフィルタアレイの色配列の改良が試みられている。

例えば、Ｒ，Ｇ，Ｂの各フィルタを水平方向に所定の順に並べたものを１セットとし、このセットを垂直方向にジグザグにずらしながら配置することによって、カラーフィルタアレイにおける全方向（水平、垂直、斜め方向の直線）の各ライン上に全ての色が存在するようにした色配列が提案されている（特許文献１）。

また、Ｒ，Ｇ，Ｂの３つのフィルタのうち、Ｒフィルタ及びＢフィルタを水平及び垂直方向にそれぞれ３画素おきに配置し、これらの間にＧフィルタを配置する色配列も提案されている（特許文献２）。

しかし、特許文献１に記載の色配列では、全方向の各ライン上に全ての色が存在することにより偽色の発生が抑えられるが、Ｒ，Ｇ，Ｂの各フィルタの数が同一であり、Ｇフィルタの数が原色系ベイヤー配列の場合よりも少ないため、高解像度化に対しては有効でない。

これに対して、特許文献２に記載の色配列では、Ｒ，Ｂの各フィルタの数に対するＧフィルタの数の比率が原色系ベイヤー配列の場合よりも多いため、高解像度化に対しては有効である。しかし、水平または垂直方向にＧフィルタのみが配置されたラインが存在するため、偽色の抑制に対しては有効でない。

そこで、本出願人は、特願２０１１−１６２４１５号において、Ｇフィルタが全方向の各ライン上に存在し、かつ、Ｒ，Ｂの各フィルタが水平及び垂直方向の各ラインに存在する色配列のカラーフィルタアレイを有する固体撮像装置を提案している。また、この色配列は、Ｇフィルタの数が、Ｒ，Ｂの各フィルタの数よりも多い、例えば６×６画素に対応する基本配列パターンを、水平方向及び垂直方向に繰り返して配置したものである。

また、左右（あるいは上下）方向に光の入射角に選択性を持つ画素（以下、位相差画素という）のペアを、光の入射角に選択性がない通常の画素配列の中に設けておき、位相差画素の画素値に基づいて位相差（視差）に関する情報を得る固体撮像装置が知られている。位相差画素から得られる位相差に関する情報は、例えば、位相差方式と称されるＡＦ処理に利用される。

さらに、近年では、全画素を位相差画素にすることによって、１つの固体撮像装置で立体視用の画像を得るデジタルカメラも提案されている。

特開平１１−２８５０１２号公報 特開平８−２３５４３号公報

全画素を位相差画素にした１つの固体撮像装置で立体視用の画像を得る場合、右目用の画像は、右側から入射する光を選択的に受光する右位相差画素によって取得され、左目用の画像は左側から入射する光を選択的に受光する左位相差画素から取得されるので、全画素数のうち半数を右位相差画素にし、残りの半数を左位相差画素にしておく必要がある。このため、固体撮像装置の全画素を通常の画素の場合に得られる画像と比較すると、右目用及び左目用の各画像は画素数が半減しているので、解像度が低いという問題がある。例えば、右位相差画素の列と左位相差画素の列を交互に配列すると、左右方向の解像度が半減してしまう。

また、右目用及び左目用の各画像の画素数を補間によって補うこともできるが、この場合は、もともとの画素数が少ないために偽色が発生しやすい。

本発明は、偽色を防止して、高解像度の立体視用画像を撮像可能な単板式の固体撮像装置を提供することを目的とする。

本発明の固体撮像装置は、ペア画素が配列された半導体基板と、ペア画素に対応して配列されたカラーフィルタアレイとを備える。ペア画素は、水平方向に隣接する２つの画素の各々から視差に応じた画素値を得る２つの画素からなる。また、ペア画素は、受光領域内において、水平方向及び垂直方向に二次元に配列されるとともに、水平方向に沿った行毎に比較したときに、１画素分ずらして配置されている。カラーフィルタアレイは、分光透過特性が異なったＮ種（Ｎは３以上の整数）の各フィルタが前記ペア画素に対応して配列される。また、カラーフィルタアレイは、基本配列パターンを水平方向及び垂直方向に繰り返して配列した形態をしている。基本配列パターンは、水平方向及び垂直方向に対して互いに直交する２つの斜め方向に沿って、Ｎ種のフィルタを所定のパターンで正方配列したものである。さらに、カラーフィルタアレイは、輝度信号への寄与率が最も高い第１フィルタが、水平方向、垂直方向、及びペア画素が３個以上並ぶ斜め方向の各ラインに配置されるとともに、残りの第２〜第Ｎフィルタは斜め方向の各ラインに配置されている。また、第１フィルタの個数が第２〜第Ｎフィルタの各個数よりも多い。

カラーフィルタアレイは、第１フィルタが斜め方向で隣接せず孤立した状態と、隣接した状態とを有することが好ましい。この場合、隣接した状態は、２×２個のペア画素に対応して、斜め方向に沿って正方配列されたものであることが好ましい。

基本配列パターンは、４つのサブ配列パターンを前記斜め方向に隣接して配置した形態であることが好ましい。サブ配列パターンは、斜め方向に沿った正方配列パターンであって、３×３個のペア画素に対応し、中心と四隅に第１フィルタが配置されたものである。

Ｎ種のフィルタが第１〜第３フィルタの３種類のフィルタからなる場合、基本配列パターンは、第１サブ配列パターンと第２サブ配列パターンが交互に隣接した配列であることが好ましい。第１サブ配列パターンは、中心に第１フィルタが配置され、この中心の第１フィルタに対して、一方の斜め方向に隣接して第２フィルタが配置され、他方の斜め方向に隣接して第３フィルタが配置されたものである。第２サブ配列パターンは、中心に第１フィルタが配置され、この中心の第１フィルタに対して、一方の斜め方向に隣接して第３フィルタが配置され、他方の斜め方向に隣接して第２フィルタが配置されたものである。

第１フィルタは緑色を透過し、第２フィルタは赤色を透過し、第３フィルタは青色を透過することが好ましい。

ペア画素及び各フィルタに対して１つずつマイクロレンズが設けられていることが好ましい。

第１サブ配列パターン及び前記第２サブ配列パターンは、それぞれ水平方向及び垂直方向に平行に隣接していることが好ましい。第１サブ配列パターン及び第２サブ配列パターンは、それぞれ水平方向及び垂直方向に１画素分ずらして隣接されていても良い。

本発明の固体撮像装置は、左右の位相差画素を１つのペア画素として、このペア画素を受光領域に配列したものであって、各ペア画素に対して１つの色フィルタを割り当てたカラーフィルタアレイを用いる。そして、このカラーフィルタアレイが、水平方向及び垂直方向に対して互いに直交する２つの斜め方向に沿ってＮ種のフィルタを所定のパターンで正方配列した基本配列パターンを、前記水平方向及び前記垂直方向に繰り返して配列した形態をしており、さらに、輝度信号への寄与率が最も高い第１フィルタが、水平方向、垂直方向、及びペア画素が３個以上並ぶ斜め方向の各ラインに配置されるとともに、残りの第２〜第Ｎフィルタは斜め方向の各ラインに配置され、第１フィルタの個数が第２〜第Ｎフィルタの各個数よりも多い色配列になっているので、立体視用の画像を得るために全画素を位相差画素にしても、偽色の発生を抑えつつ、解像度を向上させることができる。

固体撮像装置の構成を示す説明図である。 画素の構成を示す回路図である。 固体撮像装置の水平方向の断面図である。 ペア画素の配列を示す平面図である。 カラーフィルタアレイの構成を示す平面図である。 基本配列パターンの説明図である。 サンプリング点を示す説明図である。 他の基本配列パターンを示す平面図である。 他の基本配列パターンを示す平面図である。

図１に示すように、固体撮像装置１０は、ＣＭＯＳ型イメージセンサであり、複数の画素１１、垂直信号線１２、読み出し用垂直走査回路１３ａ及びリセット用垂直走査回路１３ｂ、水平走査回路１４、各垂直走査回路１３ａ，１３ｂ及び水平走査回路１４を駆動する駆動回路（図示しない）、出力回路１５等を備えている。

画素１１は、半導体基板上に、水平方向（Ｘ方向）及び垂直方向（Ｙ方向）に沿って二次元にされている。画素１１は、受光光量に応じた電荷を生成するフォトダイオード（光電変換素子）と複数のトランジスタ（図２参照）を有している。また、全ての画素１１は、内蔵する遮光膜の開口位置等によって水平方向に入射角の選択性を有する位相差画素であり、入射角の選択性が対称な２つの画素１１がペアになるように隣接して配置されている。各画素１１の画素値は、入射角の選択性にともなう視差に応じた値になる。画素１１が配置された受光領域１６上には、カラーフィルタアレイ（図５参照）が設けられている。

垂直信号線１２は、各画素１１で生成された電荷の量に応じた信号電圧を水平走査回路１４に伝達させる配線であり、垂直方向に並ぶ画素１１の各列に沿って設けられている。読み出し用垂直走査回路１３ａ及びリセット用垂直走査回路１３ｂは、は、水平方向に並ぶ画素１１の各行を選択する回路であり、垂直方向に沿って順次に選択する。

水平走査回路１４は、画素１１の列毎に設けられた複数の垂直信号線１２を選択する回路である。水平走査回路１４は、読み出し用垂直走査回路１３ａ及びリセット用垂直走査回路１３ｂによる選択動作に同期して、水平方向に沿って垂直信号線１２を順次に選択する。読み出し時には、各画素１１の信号電圧は、水平走査回路１４を介して出力回路１５に順次に送られる。リセット時には、各画素１１の電荷は、信号電圧として垂直信号線１２に取り出されることなく、破棄される。出力回路１５は、水平走査回路１４から送られてきた信号電圧に対して種々の信号処理を施して出力する。

図２に示すように、各画素１１は、フォトダイオードＰＤ、リセットトランジスタＲＴｒ、アンプトランジスタＡＴｒ、選択トランジスタＳＴｒを有する。これらの各トランジスタは、例えば、ｎ型ＭＯＳトランジスタである。

画素１１の行毎に、リセット線ＲＳＴと選択線ＳＥＬの２本の駆動線が通っており、同じ行に属する複数の画素１１が接続されている。選択線ＳＥＬの端部は、読み出し用垂直走査回路１３ａに接続されている。リセット線ＲＳＴの端部は、リセット用垂直走査回路１３ｂに接続されている。読み出し用及びリセット用垂直走査回路１３ａ，１３ｂにより、選択線ＳＥＬとリセット線ＲＳＴとが順次駆動されて、行単位で信号電圧の読み出しとリセットとが順次行われる。

フォトダイオードＰＤは、受光した光を光電変換して、その光量に応じた量の電荷を生成する。フォトダイオードＰＤは、アノードがグランドに接続されており、カソードがアンプトランジスタＡＴｒのゲート電極に接続されている。フォトダイオードＰＤのカソードとアンプトランジスタＡＴｒのゲート電極との接続部分が、フォトダイオードＰＤで生成された電荷を蓄積するフローティングディフュージョンＦＤとなっている。

リセットトランジスタＲＴｒは、ソース電極がフローティングディフュージョンＦＤにそれぞれ接続され、ドレイン電極に電源電圧ＶＤＤが印加されており、リセットパルスがリセット線ＲＳＴを介してゲート電極に与えられることによりオン状態となる。リセットトランジスタＲＴｒがオン状態となると、フローティングディフュージョンＦＤに電源電圧ＶＤＤが印加され、蓄積電荷が破棄される。

アンプトランジスタＡＴｒは、ゲート電極がフローティングディフュージョンＦＤに接続され、ドレイン電極に電源電位ＶＤＤが印加されている。アンプトランジスタＡＴｒはフローティングディフュージョンＦＤの蓄積電荷に応じた信号電圧をソース電極から出力する。

選択トランジスタＳＴｒは、ドレイン電極がアンプトランジスタＡＴｒのソース電極に、ソース電極が垂直信号線１２にそれぞれ接続されており、選択パルスが選択線ＳＥＬを介してゲートに与えられることによりオン状態となる。選択トランジスタＳＴｒがオン状態となると、アンプトランジスタＡＴｒのソース電極からから出力された信号電圧が垂直信号線１２に与えられる。

なお、画素１１は、フォトダイオードＰＤとフローティングディフュージョンＦＤとの間に転送トランジスタをさらに設けた４トランジスタ構成等であってもよい。

図３に示すように、フォトダイオードＰＤは、ｐ型半導体基板３０の表層にｎ型半導体領域として形成される。フォトダイオードＰＤは、ｐ型半導体基板３０とｎ型半導体領域によりＰＮ接合によって光電変換を行い、入射光量に応じた信号電荷を発生する。ｐ型半導体基板３０の表面上には、配線層３１が形成されている。配線層３１には、アモルファスシリコン等で形成された電極３２や、アルミニウム等で形成された配線３３，３４が設けられており、これらが前述の各トランジスタの電極や配線を構成している。

配線層３１の上には、二酸化シリコン（ＳｉＯ_２）等により形成された平坦化膜３５が設けられている。平坦膜３５上には、前述のカラーフィルタアレイ２０が設けられている。

カラーフィルタアレイ２０の上にはマイクロレンズ３６が形成されている。マイクロレンズ３６は、ＳｉＯ_２や透明樹脂材等からなり、カラーフィルタアレイ２０の各色のフィルタに対して１つずつ設けられている。すなわち、マイクロレンズ３６は、水平方向に隣接する２つの画素１１にまたがって設けられており、入射光を２つの画素１１の各フォトダイオードＰＤに向けて集光する。ここで、２つの画素を区別するために、符号１１ａ，１１ｂを付している。マイクロレンズ３６を出射した光は、直下に設けられているカラーフィルタアレイ２０の各色フィルタによって所定の色になって各画素１１ａ，１１ｂのフォトダイオードＰＤに入射する。

電極３２上には図示しない絶縁膜を介して、フォトダイオードＰＤの開口の位置を制限する遮光膜３７が設けられている。遮光膜３７による開口３８の位置は、隣接する２つの画素１１ａと画素１１ｂとで水平方向にそって逆向きにずれている。この開口３８の位置やマイクロレンズ３６がこれら２つの画素１１ａ，１１ｂにまたがって設けられていることによって、画素１１ａ，１１ｂはそれぞれ左右に、光の入射角に対する逆向きの選択性を有する。したがって、水平方向に隣接する画素１１ａと画素１１ｂのペアは、視差に関する情報を得るための位相差画素のペアである。以下、画素１１ａと画素１１ｂをペア画素４１と総称する。また、ペア画素４１を構成する２画素のうち、左側の画素１１ａを左画素１１ａ、右側の画素１１ｂを右画素１１ｂという。

図４に示すように、左画素１１ａ（空白）と右画素１１ｂ（斜線）は、水平方向及び垂直方向にそれぞれ交互に配置されている。このため、破線で囲んで示すように、水平方向に隣接する左画素１１ａと右画素１１ｂの対で形成されるペア画素４１は、水平方向及び垂直方向に沿って配列されているが、行毎に比較するとペア画素４１の半ピッチ分（１画素分）ズレた配置となっている。

図５に示すように、カラーフィルタアレイ２０は、平面形状が水平方向及び垂直方向に沿った辺を有する長方形状であり、互いに分光透過特性が異なる複数種類の色フィルタ（フィルタセグメント）、例えば、Ｇフィルタ、Ｒフィルタ、Ｂフィルタを備える。同図の「Ｇ」，「Ｒ」，「Ｂ」がそれぞれ、Ｇフィルタ、Ｒフィルタ、Ｂフィルタを示している。各色フィルタは、対応する色を透過する分光透過特性を有する。Ｇフィルタ、Ｒフィルタ、Ｂフィルタのうちいずれか１つが１つのペア画素４１を覆っている。符号Ｄ１，Ｄ２は、水平方向及び垂直方向に対して４５度に傾斜した斜め方向を示す。

図６に示すように、カラーフィルタアレイ２０の色配列は、斜め方向Ｄ１及び斜め方向Ｄ２に沿った６×６のペア画素４１に対応する基本配列パターンＢＰ１を、斜め方向Ｄ１，Ｄ２に沿って配列したものである。

また、基本配列パターンＢＰ１は、斜め方向Ｄ１，Ｄ２に沿って配列された３×３のペア画素４１に対応する第１サブ配列パターンＢＰ１ａ及び第２サブ配列パターンＢＰ１ｂが、斜め方向Ｄ１，Ｄ２に隣り合うように配列されたものである。

第１サブ配列パターンＢＰ１ａ及び第２サブ配列パターンＢＰ１ｂでは、Ｇフィルタが、中央と四隅に配置され、水平方向及び垂直方向に沿った両対角線上に並んでいる。第１サブ配列パターンＢＰ１ａでは、中央のＧフィルタを斜め方向Ｄ１に挟んで２つのＲフィルタが配置され、中央のＧフィルタを斜め方向Ｄ２に挟んで２つのＢフィルタが配置されている。これとは逆に、第２サブ配列パターンＢＰｂでは、中央のＧフィルタを斜め方向Ｄ１に挟んで２つのＢフィルタが配置され、中央のＧフィルタを斜め方向Ｄ２に挟んで２つのＲフィルタが配置されている。すなわち、第１サブ配列パターンＢＰ１ａと第２サブ配列パターンＢＰ１ｂとは、Ｇフィルタが同一配列であるが、ＲフィルタとＢフィルタの位置関係が逆である。

第１サブ配列パターンＢＰａ及び第２サブ配列パターンＢＰｂにおけるＧフィルタ、Ｒフィルタ、Ｂフィルタの数の比率は、いずれも５：２：２である。したがって、基本配列パターンＢＰにおけるＧフィルタ、Ｒフィルタ、Ｂフィルタの数の比率は、５：２：２であり、Ｇフィルタの数はＲフィルタの数やＢフィルタの数よりも多い。

第１サブ配列パターンＢＰａ及び第２サブ配列パターンＢＰｂの中央のＧフィルタ４６は、水平及び垂直方向にＧフィルタが隣接せず孤立している。これに対して、第１サブ配列パターンＢＰ１ａ及び第２サブ配列パターンＢＰ１ｂの四隅のＧフィルタは、斜め方向Ｄ１，Ｄ２に沿った２×２のペア画素４１に対応したＧフィルタ群４７を形成している。Ｇフィルタ群４７は、斜め方向Ｄ１，Ｄ２に沿った正方配列である。孤立したＧフィルタ４６と正方配列のＧフィルタ群４７とは、水平方向及び垂直方向に交互に並んでいる。

上記色配列により、カラーフィルタアレイ２０では、水平方向（Ｘ方向）、垂直方向（Ｙ方向）、及び斜め方向Ｄ１，Ｄ２の各ラインにＧフィルタが配置されている。また、水平方向または垂直方向において少なくとも２個のＧフィルタが隣接している。また、中央では、４個のＧフィルタが正方配列している。他方、Ｒフィルタ及びＢフィルタは、それぞれ斜め方向Ｄ１，Ｄ２各ライン上に配置されている。

上述のように構成される固体撮像装置１０には、マイクロレンズ３６側から受光領域１６に光が入射する。受光領域１６に入射した光は、マイクロレンズ４２によって集光されつつ、カラーフィルタアレイ２０を透過し、各色に分光されて、各画素１１のフォトダイオードＰＤに入射する。

フォトダイオードＰＤでは、光電変換により電荷が生成され、生成された電荷がフローティングディフュージョンＦＤに蓄積される。この蓄積電荷に応じた信号電圧がアンプトランジスタＡＴｒにより生成される。

そして、読み出し用垂直走査回路１３ａは、画素１１の行毎に設けられた選択線ＳＥＬに順次に電圧を印加することにより、選択トランジスタＳＴｒを行毎にオン状態とする。これにより、画素１１の行毎に信号電圧が垂直信号線１２に出力される。また、水平走査回路１４は、垂直信号線１２を順次に選択することにより、各垂直信号線１２に出力された信号電圧を出力回路１５に送る。各信号電圧は、出力回路１５により信号処理が行われ、外部に出力される。なお、リセット用垂直走査回路１３ｂは、１行分の信号電圧の出力が終了すると、該行のリセット線ＲＳＴに電圧を印加することにより、リセットトランジスタＲＴｒをオン状態とする。これにより、該行のフローティングディフュージョンＦＤに蓄積された電荷が破棄される。

以上の動作が行単位で繰り返し行われ、１画面分の信号電圧が出力データとして出力される。この出力データには、左画素１１ａと右画素１１ｂの情報がともに入っているので、図示しない信号処理回路によって、左画素１１ａのデータと右画素１１ｂのデータを分離し、それぞれから、立体視用の左右に視差のある二種類の表示画像を生成する。

出力データは、カラーフィルタアレイ２０の各フィルタにより割り当てられた色以外の色情報が欠落した画像（いわゆるＲＡＷ画像）である。このため、出力データを分離してできる左画素１１ａからなるデータ（以下、左画素データという）及び右画素１１ｂからなるデータ（以下、右画素データという）もまた色情報が欠落している。このため、左画素データ及び右画素データから左右それぞれの表示画像として、多チャネル画像を得るために、不図示の信号処理回路により、欠落した色情報を周囲の画素から補間して取得するデモザイク処理が行われる。

また、図７に示すように、左画素データ及び右画素データにおける被写体のサンプリング点は、いわゆるハニカム状である。このため、表示画像の生成時には、正方配列の点のデータが得られるように、各サンプリング点間のデータが補間により生成される。図７では、太線で囲んで基本配列パターンＢＰ１との対応関係を示している。

なお、デモザイク処理により、各サンプリング点について、Ｇ，Ｒ，Ｂの各色信号が得られる。輝度信号（Ｙ）は、例えば、Ｙ＝０．２９９・ｒ＋０．５８７・ｇ＋０．１１４・ｂにより得られる。ここで、ｒ，ｇ，ｂは、それぞれＲ信号、Ｇ信号、Ｂ信号を表す。このように、Ｇ信号は、重み付けが他の信号より大きく、輝度信号Ｙの取得に最も寄与する。

また、カラーフィルタアレイ２０は、基本配列パターンＢＰ１が斜め方向Ｄ１，Ｄ２に繰り返し配列され、輝度情報の取得に最も寄与するＧフィルタが、任意のライン（水平、垂直、斜め方向の直線）上に全て存在し、かつ、Ｇフィルタの数がＲフィルタやＢフィルタの数より多いため、デモザイク処理によるエイリアシングが抑制され、輝度情報の再現性が高く、高解像度の輝度情報が得られる。

また、カラーフィルタアレイ２０は、Ｇフィルタ以外のＲフィルタとＢフィルタとが、それぞれ斜め方向Ｄ１，Ｄ２の各ライン上に存在するため、デモザイク処理において偽色を抑制することができる。このため、入射光から高周波成分をカットするための光学ローパスフィルタを用いなくても高解像度化可能である。

また、カラーフィルタアレイ２０は、２×２画素に対応した正方配列のＧフィルタ群４７が存在するため、左画素データ及び右画素データからＧフィルタ群４７に対応する４つの画素値を抽出し、斜め方向Ｄ１の画素値の差分絶対値、斜め方向Ｄ２の画素値の差分絶対値、水平方向及び垂直方向の画素値の差分絶対値をそれぞれ算出し、差分絶対値が小さい方向を求めることにより、相関が高い方向を判断することができる。この相関方向は、デモザイク処理に用いられる。

また、左画素データ及び右画素データから、第１サブ配列パターンまたは第２サブ配列パターンを中心として５×５のサンプリング点のデータを抽出すると、Ｇフィルタ群４７に対応する２×２画素が四隅に位置する。このため、４方向の相関方向の判別を最小画素間隔のＧフィルタの画素値を用いて精度よく行うことができる。

なお、カラーフィルタアレイ２０の配列パターンとして、第１サブ配列パターンＢＰ１ａ及び第２サブ配列パターンＢＰ１ｂがそれぞれ水平方向及び垂直方向にズレなく並べられた基本配列パターンＢＰ１を斜め方向Ｄ１，Ｄ２に並べた配列にしているが、図８に示すように、第１サブ配列パターンＢＰ１ａ及び第２サブ配列パターンＢＰ１ｂを水平方向及び垂直方向に１画素分ずらして組み合わせた基本配列パターンＢＰ２を用いても良い。基本配列パターンＢＰ２を斜め方向Ｄ１，Ｄ２に並べたカラーフィルタアレイを用いる場合も、上述の実施形態と同様の効果を得ることができる。

なお、上述の実施形態では、画素１１が水平方向及び垂直方向に正方配列しているが、例えば、画素１１の配列を４５度回転したハニカム配列にしても良い。この場合、カラーフィルタアレイ２０の色配列も４５度回転させれば良い。

なお、カラーフィルタアレイ２０の色配列は、例えば、図９に示す５×５画素の基本配列パターンＢＰ３を水平及び垂直方向に配列したものであってもよい。カラーフィルタアレイの色配列は、基本配列パターンが水平及び垂直方向に繰り返し配列され、輝度情報の取得に最も寄与するＧフィルタが、任意のライン（水平、垂直、斜め方向の直線）上に全て存在するとともに、Ｇフィルタの数がＲフィルタやＢフィルタの数より多く、Ｇフィルタ以外のＲフィルタとＢフィルタとが、それぞれ斜め方向Ｄ１，Ｄ２の各ライン上に存在するものであればよい。

カラーフィルタアレイの色配列は、Ｇ，Ｒ，Ｂの３色に限られず、４色以上としてもよい。例えば、Ｇ，Ｒ，Ｂにエメラルド（Ｅ）を加えた４色とすることが可能である。また、カラーフィルタアレイの色配列は、シアン（Ｃ）、マゼンタ（Ｍ）、イエロー（Ｙ）の補色系としてもよい。この場合には、さらにＧを加えた４色の補色系とすることも可能である。

なお、上述の実施形態では、固体撮像装置がＣＭＯＳ型であるが、ＣＣＤ型の固体撮像装置にも本発明は好適である。また、フォトダイオードを制御するための配線層が設けられた表面側からフォトダイオードに光が照射される表面照射型イメージセンサに対しても、配線層を介さずに裏面側からフォトダイオードに光が照射されるようにした裏面照射型イメージセンサに対しても本発明を適用することができる。

１０ 固体撮像装置
１１ 画素
１６ 受光領域
２０ カラーフィルタアレイ
４１ ペア画素

垂直信号線１２は、各画素１１で生成された電荷の量に応じた信号電圧を水平走査回路１４に伝達させる配線であり、垂直方向に並ぶ画素１１の各列に沿って設けられている。
読み出し用垂直走査回路１３ａ及びリセット用垂直走査回路１３ｂは、水平方向に並ぶ画素１１の各行を選択する回路であり、垂直方向に沿って順次に選択する。

第１サブ配列パターンＢＰ１ａ及び第２サブ配列パターンＢＰ１ｂでは、 Ｇフィルタが、中央と四隅に配置され、水平方向及び垂直方向に沿った両対角線上に並んでいる。 第１サブ配列パターンＢＰ１ａでは、中央のＧフィルタを斜め方向Ｄ１に挟んで２つのＲフィルタが配置され、中央のＧフィルタを斜め方向Ｄ２に挟んで２つのＢフィルタが配置されている。これとは逆に、第２サブ配列パターンＢＰ１ｂでは、中央のＧフィルタを斜め方向Ｄ１に挟んで２つのＢフィルタが配置され、中央のＧフィルタを斜め方向Ｄ２に挟んで２つのＲフィルタが配置されている。すなわち、第１サブ配列パターンＢＰ１ａと第２サブ配列パターンＢＰ１ｂとは、Ｇフィルタが同一配列であるが、ＲフィルタとＢフィルタの位置関係が逆である。

第１サブ配列パターンＢＰ１ａ及び第２サブ配列パターンＢＰ１ｂにおけるＧフィルタ、Ｒフィルタ、Ｂフィルタの数の比率は、いずれも５：２：２である。したがって、基本配列パターンＢＰ１におけるＧフィルタ、Ｒフィルタ、Ｂフィルタの数の比率は、５：２：２であり、Ｇフィルタの数はＲフィルタの数やＢフィルタの数よりも多い。

第１サブ配列パターンＢＰ１ａ及び第２サブ配列パターンＢＰ１ｂの中央のＧフィルタ４６は、斜め方向にＧフィルタが隣接せず孤立している。これに対して、第１サブ配列パターンＢＰ１ａ及び第２サブ配列パターンＢＰ１ｂの四隅のＧフィルタは、斜め方向Ｄ１, Ｄ２に沿った２×２のペア画素４１に対応したＧフィルタ群４７を形成している。Ｇフィルタ群４７は、 斜め方向Ｄ１, Ｄ２に沿った正方配列である。孤立したＧフィルタ４６と正方配列のＧフィルタ群４７とは、水平方向及び垂直方向に交互に並んでいる。

上述のように構成される固体撮像装置１０には、マイクロレンズ３６側から受光領域１６に光が入射する。受光領域１６に入射した光は、マイクロレンズ３６によって集光されつつ、カラーフィルタアレイ２０を透過し、各色に分光されて、各画素１１のフォトダイオードＰＤに入射する。

Claims (9)

1. 水平方向に隣接する２つの画素の各々から視差に応じた画素値を得るペア画素が、水平方向及び垂直方向に二次元に配列されるとともに、前記水平方向に沿った行毎に比較した場合に、１画素分ずらして配置された受光領域を有する半導体基板と、
   分光透過特性が異なったＮ種（Ｎは３以上の整数）の各フィルタが前記ペア画素に対応して配列されるカラーフィルタであって、前記水平方向及び前記垂直方向に対して互いに直交する２つの斜め方向に沿って前記Ｎ種のフィルタを所定のパターンで正方配列した基本配列パターンを、前記水平方向及び前記垂直方向に繰り返して配列した形態をしており、輝度信号への寄与率が最も高い第１フィルタが、前記水平方向、前記垂直方向、及び前記ペア画素が３個以上並ぶ斜め方向の各ラインに配置されるとともに、残りの第２〜第Ｎフィルタは前記斜め方向の各ラインに配置され、前記第１フィルタの個数が前記第２〜第Ｎフィルタの各個数よりも多いカラーフィルタアレイと、
   を備えることを特徴とする固体撮像装置。
2. 前記カラーフィルタアレイは、前記第１フィルタが前記斜め方向で隣接せず孤立した状態と、隣接した状態とを有することを特徴とする請求の範囲第１項に記載の固体撮像装置。
3. 前記隣接した状態は、２×２個の前記ペア画素に対応して、前記斜め方向に沿って正方配列されたものであることを特徴とする請求の範囲第２項に記載の固体撮像装置。
4. 前記基本配列パターンは、４つのサブ配列パターンを前記斜め方向に隣接して配置した形態であり、
   前記サブ配列パターンは、前記斜め方向に沿った正方配列パターンであって、３×３個の前記ペア画素に対応し、中心と四隅に前記第１フィルタが配置されていることを特徴とする請求の範囲第３項に記載の固体撮像装置。
5. 前記Ｎ種のフィルタは、第１〜第３フィルタの３種のフィルタからなり、
   前記サブ配列パターンは、中心に前記第１フィルタが配置され、該中心の前記第１フィルタに対して、一方の前記斜め方向に隣接して前記第２フィルタが配置され、他方の前記斜め方向に隣接して前記第３フィルタが配置された第１サブ配列パターンと、前記第２サブ配列パターンは、中心に前記第１フィルタが配置され、該中心の前記第１フィルタに対して、一方の前記斜め方向に隣接して前記第３フィルタが配置され、他方の前記斜め方向に隣接して前記第２フィルタが配置された第２サブ配列パターンとからなり、
   前記基本配列パターンは、前記第１サブ配列パターンと前記第２サブ配列パターンが交互に隣接した配列であることを特徴とする請求の範囲第４項に記載の固体撮像装置。
6. 前記第１フィルタは緑色を透過し、前記第２フィルタは赤色を透過し、前記第３フィルタは青色を透過することを特徴とする請求の範囲第５項に記載の固体撮像装置。
7. 前記ペア画素及び各前記フィルタに対して１つずつマイクロレンズが設けられていることを特徴とする請求の範囲第１項に記載の固体撮像装置。
8. 前記第１サブ配列パターン及び前記第２サブ配列パターンは、それぞれ前記水平方向及び前記垂直方向に平行に隣接していることを特徴とする請求の範囲第５項に記載の固体撮像装置。
9. 前記第１サブ配列パターン及び前記第２サブ配列パターンは、それぞれ前記水平方向及び前記垂直方向に１画素分ずらして隣接されていることを特徴とする請求の範囲第６項に記載の固体撮像装置。

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