(57)【要約】【課題】搭載トランジスタ数を減少させつつ、画素の平面充填率が高く、より高い効率で光を集光できる固体撮像素子を実現化できるようにする。【解決手段】中央の１つの画素１０１とその周囲を取り巻く６つの画素１０１との総計７つの画素１０１で、本発明のハニカム構造の１ユニットが構成されている。画素１０１は、光電変換素子、例えばフォトダイオードを含むように構成されている。各画素１０１のそれぞれに対して、転送トランジスタ１０２がそれぞれ１つずつ設けられている。一方で、リセットトランジスタ１０３と増幅トランジスタ１０４とは、全ての画素１０１間で共有するため、１ユニットで１つだけ設けられている。また、FD(フローティングディフュージョン)１０５は、リング状に配置されている。本発明は、イメージセンサに適用することができる。【選択図】図３
2010161200.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光電変換を行う受光素子を複数の画素毎に備え、
前記複数の画素のうちの所定画素とそれに隣接する６つの画素とによって前記所定画素が周囲を囲まれたハニカム構造、または、前記ハニカム構造に対して、前記隣接する６つの画素のうち１乃至３の画素が省略された構造を基本ユニットとして構成される
固体撮像素子。
【請求項２】
前記基本ユニットが有するトランジスタとして、
前記基本ユニットを構成する画素毎の転送トランジスタと、
前記基本ユニットを構成する画素間で共有する、リセットトランジスタ、選択トランジスタ、および増幅トランジスタと
を有する請求項１に記載の固体撮像素子。
【請求項３】
前記基本ユニットが有するトランジスタとして、
前記基本ユニットを構成する画素毎の転送トランジスタと、
前記基本ユニットを構成する画素間で共有するリセットトランジスタおよび増幅トランジスタと
を有し、
前記基本ユニットが有する前記トランジスタは、ドレイン端子をパルス駆動することでFD(フローティングディフュージョン)電位を制御するFD駆動方式により駆動される
請求項１に記載の固体撮像素子。
【請求項４】
集光素子をさらに備える
請求項１に記載の固体撮像素子。
【請求項５】
前記所定画素を中心として、隣接する画素までの距離以上の一定の距離を半径とする円周上またはその内側に属する画素間で、１つの集光素子が共有される
請求項４に記載の固体撮像素子。
【請求項６】
前記固体撮像素子は、
被写体からの光を結像する固体撮像素子であり、
合焦位置の前後にある物体からの光のうち、前記集光素子により全光束の部分集合を選択的に前記画素に到達させることにより、前記物体の位相差を検出して合焦判断を行う、または前記物体までの距離情報の取得を行う
請求項５に記載の固体撮像素子。
【請求項７】
前記固体撮像素子のうち、中央部分において、前記集光素子の光軸と前記受光素子の中心とが偏心なく揃うように配置され、前記中央部分から距離が離れている部分においては、前記集光素子の光軸と前記受光素子の中心との位置関係は、その距離に応じて前記中央部分に向かって偏心した位置関係となっている
請求項１乃至６のうちの何れかに記載の固体撮像素子。
【請求項８】
光の特定波長に対して選択的な透過性を示す、Ｎ種類（Ｎは３以上の整数値）のフィルタをさらに備え、
前記基本ユニットを構成する画素のそれぞれに対して、Ｎ種類のフィルタのうちの所定種類のフィルタが配置される
請求項１に記載の固体撮像素子。
【請求項９】
前記基本ユニットを構成する各々の画素には前記フィルタが配置され、前記画素の色は、対応する種類の前記フィルタが配置された別画素の光度値と、前記画素と前記別画素との相対的な画素間隔とを用いて演算により補間される
請求項８に記載の固体撮像素子。
【請求項１０】
前記画素間隔が単位画素間隔の整数倍にならない場合、前記画素間隔が整数倍の値に近似されて、前記画素の色が演算される
請求項８に記載の固体撮像素子。
【請求項１１】
複数の画素毎に、光電変換を行う受光素子と、集光素子とを備え、
前記受光素子の配置構造は、直交する２軸からなる格子状の各点に配置される正方行列構造を採用しており、
前記集光素子の配置構造は、前記複数の画素のうちの所定画素とそれに隣接する６つの画素とによって前記所定画素が周囲を囲まれたハニカム構造、または、前記ハニカム構造に対して、前記隣接する６つの画素のうち１乃至３の画素が省略された構造を採用している
固体撮像素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、固体撮像素子に関し、特に、搭載トランジスタ数を減少させつつ、画素の平面充填率が高く、より高い効率で光を集光できるようになった固体撮像素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、デジタルスチルカメラやカムコーダなど、被写体を固体撮像素子で撮影して画像化する電子デバイスが増えてきている。現在主流の固体撮像素子としては、CCD(Charge Coupled Device)イメージセンサやCMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor)イメージセンサが存在する。なお、以下、これらをまとめて、イメージセンサと称する。イメージセンサは、画素を単位とする技術が前提となる。
【０００３】
画素を単位とする技術は、撮影側だけではなく、表示側にも当然生かされている。このような画素を単位とする従来の技術としては、特許文献１乃至５や非特許文献１,２に開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特許第02600250号公報
【特許文献２】特開2004-2153号公報
【特許文献３】特開2005-150463号公報
【特許文献４】特開2006-165567号公報
【特許文献５】特開2006-54276号公報
【非特許文献】
【０００５】
【非特許文献１】J.Adkisson, et al. IEEE Workshop on CCDs and Advanced Image Sensors, pp.1-4 (2005)
【非特許文献２】馬渕圭司他, 電子情報通信学会技術研究報告 Vol.104, No.66(20040513)pp.51-56
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
近年、搭載トランジスタ数を減少させつつ、画素の平面充填率が高く、より高い効率で光を集光できる固体撮像素子の実現が要求されている。しかしながら、上述の特許または非特許文献１乃至７も含め従来の技術では、かかる要求に充分に応えられていない現状である。
【０００７】
本発明は、このような状況に鑑みてなされたものであり、搭載トランジスタ数を減少させつつ、画素の平面充填率が高く、より高い効率で光を集光できるようにするものである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の一側面の第１の固体撮像素子は、光電変換を行う受光素子を複数の画素毎に備え、前記複数の画素のうちの所定画素とそれに隣接する６つの画素とによって前記所定画素が周囲を囲まれたハニカム構造、または、前記ハニカム構造に対して、前記隣接する６つの画素のうち１乃至３の画素が省略された構造を基本ユニットとして構成される。
【０００９】
前記基本ユニットが有するトランジスタとして、前記基本ユニットを構成する画素毎の転送トランジスタと、前記基本ユニットを構成する画素間で共有する、リセットトランジスタ、選択トランジスタ、および増幅トランジスタとを有する。
【００１０】
前記基本ユニットが有するトランジスタとして、前記基本ユニットを構成する画素毎の転送トランジスタと、前記基本ユニットを構成する画素間で共有するリセットトランジスタおよび増幅トランジスタとを有し、前記基本ユニットが有する前記トランジスタは、ドレイン端子をパルス駆動することでFD(フローティングディフュージョン)電位を制御するFD駆動方式により駆動される。
【００１１】
集光素子をさらに備える。
【００１２】
前記所定画素を中心として、隣接する画素までの距離以上の一定の距離を半径とする円周上またはその内側に属する画素間で、１つの集光素子が共有される。
【００１３】
前記固体撮像素子は、被写体からの光を結像する固体撮像素子であり、合焦位置の前後にある物体からの光のうち、前記集光素子により全光束の部分集合を選択的に前記画素に到達させることにより、前記物体の位相差を検出して合焦判断を行う、または前記物体までの距離情報の取得を行う。
【００１４】
前記固体撮像素子のうち、中央部分において、前記集光素子の光軸と前記受光素子の中心とが偏心なく揃うように配置され、前記中央部分から距離が離れている部分においては、前記集光素子の光軸と前記受光素子の中心との位置関係は、その距離に応じて前記中央部分に向かって偏心した位置関係となっている。
【００１５】
光の特定波長に対して選択的な透過性を示す、Ｎ種類（Ｎは３以上の整数値）のフィルタをさらに備え、前記基本ユニットを構成する画素のそれぞれに対して、Ｎ種類のフィルタのうちの所定種類のフィルタが配置される。
【００１６】
前記基本ユニットを構成する各々の画素には前記フィルタが配置され、前記画素の色は、対応する種類の前記フィルタが配置された別画素の光度値と、前記画素と前記別画素との相対的な画素間隔とを用いて演算により補間される。
【００１７】
前記画素間隔が単位画素間隔の整数倍にならない場合、前記画素間隔が整数倍の値に近似されて、前記画素の色が演算される。
【００１８】
本発明の一側面の第１の固体撮像素子においては、光電変換を行う受光素子を複数の画素毎に備えられており、前記複数の画素のうちの所定画素とそれに隣接する６つの画素とによって前記所定画素が周囲を囲まれたハニカム構造、または、前記ハニカム構造に対して、前記隣接する６つの画素のうち１乃至３の画素が省略された構造を基本ユニットとして構成される。
【００１９】
本発明の一側面の第２の固体撮像素子は、複数の画素毎に、光電変換を行う受光素子と、集光素子とを備え、前記受光素子の配置構造は、直交する２軸からなる格子状の各点に配置される正方行列構造を採用しており、前記集光素子の配置構造は、前記複数の画素のうちの所定画素とそれに隣接する６つの画素とによって前記所定画素が周囲を囲まれたハニカム構造、または、前記ハニカム構造に対して、前記隣接する６つの画素のうち１乃至３の画素が省略された構造を採用している。
【００２０】
本発明の一側面の第２の固体撮像素子においては、複数の画素毎に、光電変換を行う受光素子と、集光素子とが備えられており、前記受光素子の配置構造は、直交する２軸からなる格子状の各点に配置される正方行列構造が採用されており、前記集光素子の配置構造は、前記複数の画素のうちの所定画素とそれに隣接する６つの画素とによって前記所定画素が周囲を囲まれたハニカム構造、または、前記ハニカム構造に対して、前記隣接する６つの画素のうち１乃至３の画素が省略された構造が採用されている。
【発明の効果】
【００２１】
以上のごとく、本発明によれば、搭載トランジスタ数を減少させつつ、画素の平面充填率が高く、より高い効率で光を集光できる固体撮像素子を実現化できるようになる。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】隣接画素間の相対的な位置関係を示す図である。
【図２】従来の画素ユニットの回路構成を示す図である。
【図３】７画素共有の本発明のハニカム構造イメージセンサの画素配置例を示す図である。
【図４】７画素共有の本発明のハニカム構造イメージセンサの回路構成の一例を示している。
【図５】７画素共有の本発明のハニカム構造イメージセンサの回路構成の別の例を示す図である。
【図６】７画素共有の本発明のハニカム構造イメージセンサの回路構成のさらに別の例を示す図である。
【図７】７画素共有の本発明のハニカム構造イメージセンサによる画像データ読み出し処理の一例を説明する図である。
【図８】図７の例の画素データの読み出し処理を説明するフローチャートである。
【図９】図７の例の画素データの読み出し処理における、画素データの読み出し駆動パルスのタイミングチャートの例を示す図である。
【図１０】図７の例の画素データの読み出し処理における、画素データの読み出し駆動パルスのタイミングチャートの例であって、図９とは異なる例を示す図である。
【図１１】６画素共有の本発明のハニカム構造イメージセンサの画素配置例を示す図である。
【図１２】６画素共有の本発明のハニカム構造イメージセンサによる画像データ読み出し処理の一例を説明する図である。
【図１３】５画素共有の本発明のハニカム構造イメージセンサの画素配置例を示す図である。
【図１４】５画素共有の本発明のハニカム構造イメージセンサによる画像データ読み出し処理の一例を説明する図である。
【図１５】４画素共有の本発明のハニカム構造イメージセンサの画素配置例を示す図である。
【図１６】４画素共有の本発明のハニカム構造イメージセンサによる画像データ読み出し処理の一例を説明する図である。
【図１７】本発明のハニカム画素イメージセンサの受光素子（画素）と集光素子との位置関係を示した模式図である。
【図１８】本発明のハニカム構造イメージセンサの画素の配置例を示す上面図である。
【図１９】位相差検出機能を実現する手法を説明するための図である。
【図２０】位相差検出機能を実現する手法を説明するための図である。
【図２１】位相差検出機能を実現する手法を説明するための図である。
【図２２】位相差検出機能を実現する手法を説明するための図である。
【図２３】各画素１０１が異なる色フィルタを備えている場合のデモザイキングの一例について説明する図である。
【図２４】７画素共有の本発明のハニカム構造イメージセンサに対して、取り得る色フィルタの配置の４つの例を示している。
【図２５】デモザイク処理による画素間の補間の一例について説明する図である。
【図２６】本発明が適用された固体撮像素子の一実施の形態であって、本発明のハニカム構造イメージセンサとは異なる実施の形態の構成を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
＜１．従来の画素構造＞
初めに、本発明の理解を容易なものとすべく、従来の画素配置の概要について説明する。
【００２４】
図１は、隣接画素間の相対的な位置関係を示している。図１のＡは、正方行列構造の隣接画素間の相対的な位置関係を示している。図１のＢは、ハニカム構造の隣接画素間の相対的な位置関係を示している。
【００２５】
従来の一般的な固体撮像素子においては、各画素の配置構造としては、図１のＡに示される構造、即ち、直交する２軸からなる格子状の各点に配置される構造（以下、正方行列構造と称する）や、正方行列構造を45度傾けた構造が採用されることが多い。これらの構造は、水平軸と垂直軸の2軸が直交しているので、画素に蓄積された電気信号を読み出すためには適した構造であるといえる。
【００２６】
一方で、固体撮像素子の多くは、受光素子の上面に金属配線、平滑化層、カラーフィルタなどが積層された立体構造を有している。この立体構造に起因して、遮蔽効果により実効的な開口率は低くなる。そのため、各々の画素に効率よく集光する技術が特許文献１乃至４に開示されている。即ち、特許文献１には、各画素に対応するオンチップマイクロレンズを偏心させて作製する技術が開示されている。特許文献２には、光を効率的に受光素子に導くためクラッドコア構造（導波路構造）を実装する技術が開示されている。特許文献３には、Cu配線を用いて固体撮像素子全体を薄化する技術が開示されている。特許文献４には、固体撮像素子を背面照射構造にする技術が開示されている。
【００２７】
ここで、図１のＡに示されるように、正方行列構造の単位画素サイズとして、横幅をXと、縦幅をYと、画素ピッチをDとそれぞれ記述する。また、説明を容易なものとするため、X=Yとする。即ち、画素は、正方形であるとする。この場合、各画素に内接する最大の円が、画素面積A=XYに対して占める割合（フィリングファクタ）は、最大でも78.5%にしかならない。
【００２８】
各画素の配置構成としては、図１のＡに示される正方行列構造の他に、図１のＢに示されるようなハニカム構造も存在する。例えば、画素ピッチを同一のDに保ったまま、各画素を２次元平面に敷き詰めた場合（平面充填した場合）のハニカム構造では、フィリングファクタは、90.7%と、正方行列構造に比べ12%も大きくなる。
【００２９】
また、正方行列構造では上下左右の隣接４画素との間隔と、斜め方向の隣接４画素との画素間隔は等しくはならない。このため、縦横の解像度に比べて斜め方向の解像度が劣る異方性の問題がある。一方、ハニカム構造の場合、隣接6画素への距離は、画素ピッチであるDと全て等距離となる。このため、解像度の異方性が本質的に出にくい構造になっている。
【００３０】
このように、ハニカム構造は、正方行列構造と比較すると、平面充填率（フィリングファクタ）や集光素子とのカップリング効率の良さがあり、また、得られる画像の解像度が等方性に優れている。
【００３１】
このようなハニカム構造を有する画素に関する技術が、特許文献５に開示されている。ここで、注意すべき点は、特許文献５の技術は、あくまでも、２次元データの表示装置を想定したものであって、固体撮像素子を想定したものでない点である。
【００３２】
図２は、特許文献５に開示されている画素ユニット（以下、従来の画素ユニットと称する）の回路構成を示している。
【００３３】
従来の画素ユニットは、ハニカム構造で配置された３つの画素１１からなるユニットである。上述の如く、従来の画素ユニットは、表示装置に適用されるために、１ユニット3画素１１がRed/Green/Blueのそれぞれの色フィルタを有している。このような従来の画素ユニットが複数配置されることで、各行ごとに均一にR/G/Bの画素１１が配置されることになる。これにより、バランスの良い色再現が可能になる表示装置が実現できる。
【００３４】
しかしながら、従来の画素ユニットを、固体撮像素子（イメージセンサ）にそのまま適用することは困難である。その理由は、表示装置に特化した回路構成になっているからである。即ち、人間の目は緑に感度を有する視神経細胞の数が最も多く、解像度も主に緑色で感じるため、高精細な画像を提供するイメージセンサには緑画素をより多く配置するなど工夫が必要となる。しかしながら、従来の画素ユニットは、図２に示されるようにR/G/Bの画素比率が1:1:1であり、緑画素を多く配置できる画素配列になっていない。
【００３５】
また、仮に、従来の画素ユニットを固体撮像素子（イメージセンサ）に適用できたとしても、上述した正方行列構造の固体撮像素子の回路アーキテクチャに比べて単位画素あたりのトランジスタ数を少なくすることはできない。即ち、図２に示されるように、従来の画素ユニットの構造は、３つの画素１１で１ユニットを構成する構造になっている。このため、従来の画素ユニットは、１ユニット間でリセットトランジスタ１３、増幅トランジスタ１４、選択トランジスタ１５を共有する回路構成になっている。このような回路構成では３つの画素１１に対して６つのトランジスタが必要となる。単位画素あたりのトランジスタ(Tr)数は、従来の画素ユニットでは2.0Tr/画素となり、従来の正方行列構造の場合と比べて少なくなるわけではない。
【００３６】
即ち、固体撮像素子としてのCMOSイメージセンサの画素構造に着目すると、微細化や低コスト化のためには単位画素あたりのトランジスタの数を出来る限り少なくする画素共有の技術が重要になる。またトランジスタ数が減ればフォトダイオードの占有面積が相対的に向上するので、高感度化にも繋がる。このため、従来の正方行列構造の固体撮像素子でも、高効率の画素共有方式が研究開発されている。例えば特許文献６には、2x2もしくは1x4画素に対してリセットトランジスタ、選択トランジスタ、増幅トランジスタを共有する方式が開示されている。また、非特許文献７には、ドレイン端子をパルス駆動することでFD電位を制御可能にしたFD駆動方式により選択トランジスタを省略する手法が開示されている。このような高効率の画素共有方式を採用した従来の正方行列構造の固体撮像素子の単位画素あたりのトランジスタ数は、従来の画素ユニットの場合と比べてむしろ少なくなる。
【００３７】
＜２．本発明が適用された固体撮像素子の実施の形態＞
【００３８】
［本発明の概要］
そこで、本発明人は、固体撮像素子たる２次元イメージセンサの画素配列の構造として、４画素以上、例えば７画素を１ユニットとするハニカム構造（以下、本発明のハニカム構造と称する）を発明した。これにより、本発明のハニカム構造の画素配列を採用した固体撮像素子は、従来の正方行列構造の画素配置を採用した場合に比べて高い集光効率を実現することができる。また、本発明のハニカム構造を採用することで、４画素以上、例えば７画素間でトランジスタ共有を行うことができるので、従来のユニット等の従来のアーキテクチャと比較して１画素あたりのトランジスタ数を削減することが容易に可能になる。
【００３９】
以下、本発明のハニカム構造の画素配列を採用した固体撮像素子（以下、本発明のハニカム構造イメージセンサと称する）の実施の形態について説明する。
【００４０】
なお、以下、本発明のハニカム構造イメージセンサとして、電界効果型トランジスタ（MOSFET）を用い電気信号を増幅するタイプの固体撮像素子（CMOSイメージセンサ：CIS /CMOS IS）が採用されているとする。勿論、本発明のハニカム構造は、その他の種類の固体撮像素子に適用可能なことはいうまでもない。
【００４１】
［本発明のハニカム構造イメージセンサの７画素共有の場合の例］
【００４２】
図３は、７画素共有の本発明のハニカム構造イメージセンサの画素配置例を示す図である。
【００４３】
図３の例では、中央の１つの画素１０１とその周囲を取り巻く６つの画素１０１との総計７つの画素１０１で、本発明のハニカム構造の１ユニットが構成されている。
【００４４】
画素１０１は、光電変換素子、例えばフォトダイオードを含むように構成されている。各画素１０１のそれぞれに対して、転送トランジスタ１０２がそれぞれ１つずつ設けられている。一方で、リセットトランジスタ１０３と増幅トランジスタ１０４とは、全ての画素１０１間で共有するため、１ユニットで１つだけ設けられている。また、FD(フローティングディフュージョン)１０５は、リング状に配置されている。このように、FD１０５をリング状に配置することで、その容量を大きくすることができ、電荷変換係数を小さくすることができる。その結果、大量の電荷を蓄積することが可能になる。
【００４５】
図４は、７画素共有の本発明のハニカム構造イメージセンサの回路構成の一例を示している。
【００４６】
１つの電源供給線２０１に対して、１ユニットで１つ設けられているリセットトランジスタ１０３と増幅トランジスタ１０４とが接続されている。増幅トランジスタ１０４にはまた、信号出力線２０２が接続されている。
【００４７】
各画素１０１毎の転送トランジスタ１０２、リセットトランジスタ１０３、および、増幅トランジスタ１０４は、例えば電界効果トランジスタ（MOSFET）で構成することができる。これらの電界効果トランジスタは、ドレイン端子をパルス駆動することでFD電位を制御するFD駆動方式により駆動される。これにより、選択トランジスタを省略した回路構成とすることができる。
【００４８】
図５は、７画素共有の本発明のハニカム構造イメージセンサの回路構成の別の例を示している。
【００４９】
図５の例では、図４の例の構成に対してさらに、選択トランジスタ２０３が設けられた構成となっている。
【００５０】
図６は、７画素共有の本発明のハニカム構造イメージセンサの回路構成のさらに別の例を示している。
【００５１】
図６の例では、図５の例に対して、各画素１０１毎の転送トランジスタ１０２の接続の形態が異なった構成となっている。なお、図示はしないが、図４の例と同様のFD駆動を採用することで、選択トランジスタ２０３を省略することができる。
【００５２】
次に、７画素共有の本発明のハニカム構造イメージセンサの動作例について説明していく。
【００５３】
図７は、７画素共有の本発明のハニカム構造イメージセンサによる画素データの読み出しの処理（以下、画像データ読み出し処理と称する）の一例を説明する図である。
【００５４】
図７に示されるように、１つのユニット３０１は、７つの画素１０１により構成される。ここで、図７の各画素１０１内に記述されている番号ｋ（ｋは１乃至７の整数値）を、ユニット内画素番号ｋと称する。また、ユニット内画素番号ｋの画素１０１を、画素１０１−ｋと称する。
【００５５】
１つのユニット３０１に着目した場合、各画素１０１のデータの読み出しは、ユニット内画素番号ｋの順番、即ち、図７の例では、画素１０１−１乃至１０１−７の順番で順次行われる。
【００５６】
また、特定の1つのユニット３０１Ａ１に着目した場合、右隣のユニット３０１Ｂ１は図中縦方向に１画素分（１行分）ずれて配置される。その右隣のユニット３０１Ｃ１は、ユニット３０１Ａ１に対して図中縦方向に２画素分（２行分）ずれて配置される。さらにその右隣のユニット３０１Ａ２は、ユニット３０１Ａ１と同じ行に配置される。そこで、今度はユニット３０１Ａ２に着目した場合、右隣のユニット３０１Ｂ２は図中縦方向に１画素分（１行分）ずれて配置される。その右隣のユニット３０１Ｃ２は、ユニット３０１Ａ２に対して図中縦方向に２画素分（２行分）ずれて配置される。このような３つのユニット３０１Ａｊ乃至Ｃｊを単位とした配置が、その後も繰り返されることになる。ここで、図７の例では、j＝1,2のみ図示されているが、jは、総画素数に基づいて設定される閾値以下の整数値である。以下、ｊを３ユニット単位番号と称する。よって、各ユニット３０１間のデータの読み出しの順番も、この配置の順番、即ち、図７の例では、ユニット３０１Ａｊ乃至３０１Ｃｊの順番で順次行われる。
【００５７】
換言すると、かかる順番でデータの読み出しが行われるように、７画素共有の本発明のハニカム構造イメージセンサは、垂直水平方向に信号転送線を配置する回路構造を有している。
【００５８】
図８は、図７の例の画素データの読み出し処理を説明するフローチャートである。
【００５９】
ステップＳ１において、７画素共有の本発明のハニカム構造イメージセンサ（以下、図８の説明内においては、センサと略称する）は、３ユニット内符号ｉ＝Ａ、３ユニット単位番号ｊ＝１、ユニット内画素番号ｋ=1に設定する。
【００６０】
ここで、３ユニット内符号iとは、図７において、ユニットの符号「３０１」の次に続く符号（Ａ乃至Ｃの何れかの符号）をいう。３ユニット単位番号ｊについては上述の定義の通りである。即ち、ユニット３００ｉｊと記述することにより、一意のユニットが特定される。また、ユニット内画素番号ｋについては上述の定義通りである。即ち、画素１０１−ｋにより、ユニット３００ｉｊ内の一意の画素が特定される。換言すると、ｉ,j,ｋの３つのパラメータを指定することで、所定の１つの画素１０１が特定されることになる。
【００６１】
ステップＳ２において、センサは、ユニット３０１ｉｊを処理対象ユニットに設定する。
【００６２】
ステップＳ３において、センサは、処理対象ユニットの画素１０１−ｋを処理対象画素に設定する。
【００６３】
ステップＳ４において、センサは、処理対象画素の画素データを読み込む。
【００６４】
ステップＳ５において、センサは、ユニット内画素番号ｋを１だけインクリメントする（ｋ＝ｋ＋１）。
【００６５】
ステップＳ６において、センサは、ｋ＞７であるか否かを判定する。
【００６６】
ユニット内画素番号ｋが７以下の場合、処理はステップＳ３に戻され、それ以降の処理が繰り返される。即ち、処理対象ユニット内の画素１０１−１乃至１０１−７のそれぞれに対して、ステップＳ３乃至Ｓ６のループ処理が繰り返される。その結果、画素１０１−１乃至１０１−７の順番で、画素データが順次読み込まれていく。
【００６７】
画素１０１−７の画素データが読み込まれると、次のステップＳ５の処理でk=8となるため、ステップＳ６においてＹＥＳであると判定され、処理はステップＳ７に進む。
【００６８】
ステップＳ７において、センサは、ユニット内画素番号ｋを１にリセットする（k＝１）。
【００６９】
ステップＳ８において、センサは、３ユニット内符号ｉはＣであるか否かを判定する。
【００７０】
３ユニット内符号ｉがＡまたはＢの場合、ステップＳ８においてＮＯであると判定されて、処理はステップＳ９に進む。
【００７１】
ステップＳ９において、センサは、３ユニット内符号ｉを、ＡからＢ、またはＢからＣに設定する。その後、処理はステップＳ２に戻され、それ以降の処理が繰り返される。即ち、ユニット３００Ａｊ乃至３００Ｃｊのそれぞれに対して、ステップＳ２乃至Ｓ９のループ処理が繰り返される。その結果、ユニット３００Ａｊ乃至Ｃｊが処理対象ユニットにその順番で順次設定され、処理対象ユニット毎に、画素１０１−１乃至１０１−７の順番で画素データが順次読み込まれていく。
【００７２】
ユニット３００Ｃｊの画素１０１−７の画素データが読み込まれると、次のステップＳ５の処理でk=8となるため、ステップＳ６においてＹＥＳであると判定され、処理はステップＳ７に進む。ステップＳ７において、ユニット内画素番号ｋは１にリセットされる（k＝１）。そして、ステップＳ８において、ＹＥＳであると判定されて、処理はステップＳ１０に進む。ステップＳ１０において、センサは、３ユニット内符号ｉを、ＣからＡに設定する。
【００７３】
ステップＳ１１において、センサは、３ユニット単位番号ｊを１だけインクリメントする（ｊ＝ｊ＋１）。
【００７４】
ステップＳ１２において、センサは、ｊ＞閾値であるか否かを判定する。
【００７５】
３ユニット単位番号ｊが閾値以下の場合、処理はステップＳ２に戻され、それ以降の処理が繰り返される。即ち、３つのユニット３００Ａｊ乃至３００Ｃｊを単位として、各画素データが順次読み込まれていく。そして、最後の画素データが読み込まれた後のステップＳ１１の処理では、ｊは閾値を超えるように設定されるので、ステップＳ１２の処理でＹＥＳであると判定されて、画像データ読み出し処理が終了となる。
【００７６】
図９は、図７の例の画素データの読み出し処理における、画素データの読み出し駆動パルスのタイミングチャートの例を示している。
【００７７】
図９には、上から、転送トランジスタ１０２−１乃至１０１−７、リセットトランジスタ１０３、および、電源供給線２０１のそれぞれのタイミングチャートが示されている。即ち、図９の例のタイミングチャートは、図４の構成の場合、即ち、FD駆動が行われる場合の例を示している。
【００７８】
なお、図９に示される駆動パルスやその出力タイミングは例示にしか過ぎない。即ち、図９は、本発明のハニカム構造イメージセンサが他の駆動モードで動作することを制限するものではない。
【００７９】
図９の例では、電源供給線２０１には、電位VDDのパルスが供給される。即ち、１ユニット３０１についての画素データの読み出し処理が開始されると、電源供給線２０１には電位VDDが印加される。なお、以下、図９の例の説明では、電源供給線２０１に電位VDDが印加されることを、VDDパルスがオン状態になると表現し、その印加が停止することを、VDDパルスがオフ状態になると表現する。
【００８０】
VDDパルスがオン状態で、かつ、リセットトランジスタ１０３がON状態になると、FD電位がHighになる。そこで、この状態で、転送トランジスタ１０２−１がON状態になると、画素１０１−１のフォトダイオードは空になり電荷の蓄積を開始する。以下同様にして、画素１０１−２乃至１０１−７についても全く同様に、リセットトランジスタ１０３と各転送トランジスタ１０２−２乃至１０２−７とのそれぞれが順次オン状態になっていくことで、各フォトダイオードは電荷の蓄積を順次開始していく。
【００８１】
その後、VDDパルスがオン状態からオフ状態に変わるタイミングで、リセットトランジスタ１０３もオン状態にさせることで、FD電位がLowになる。
【００８２】
次に、各フォトダイオードに蓄積された電荷を読み出すために、VDDパルスは再度オフ状態からオン状態に切り替わる。この状態で、リセットトランジスタ１０３がON状態になり、転送トランジスタ１０２−１がON状態になると、画素１０１−１のフォトダイオードに蓄積された電荷はFDに読み出されることで、信号レベル（画素データ）が読み出される。以下同様にして、画素１０１−２乃至１０１−７についても全く同様に、リセットトランジスタ１０３と各転送トランジスタ１０２−２乃至１０２−７とのそれぞれが順次オン状態になっていく。これにより、各フォトダイオードの電荷（画素データ）が順次読み出されていく。
【００８３】
その後、VDDパルスがオン状態からオフ状態に変わるタイミングで、リセットトランジスタ１０３もオン状態にさせることで、FD電位が埋まり、１ユニット３０１内の画素１０１−２乃至１０１−７の画素データの読み出し（転送）が終了する。
【００８４】
即ち、１ユニット３０１内の画素１０１−１乃至１０１−７の電荷蓄積時間は、１発目の転送トランジスタ１０２−１乃至１０２−７の各パルスから２発目の転送トランジスタ１０２−１乃至１０２−７の各パルスまでの期間に相当する時間となる。
【００８５】
このように、図９の範囲のタイミングチャートに従ったFD駆動が行われることで、図８の画像データ読み出し処理のうち、処理対象ユニットについてのステップＳ３乃至Ｓ６のループ処理が実行されることになる。
【００８６】
即ち、各ユニット３０１のそれぞれに対して、図９の範囲のタイミングチャートに従ったFD駆動が行われることになる。
【００８７】
図１０は、図７の例の画素データの読み出し処理における、画素データの読み出し駆動パルスのタイミングチャートの例であって、図９とは異なる例を示している。
【００８８】
図１０には、上から、転送トランジスタ１０２−１乃至１０１−７、リセットトランジスタ１０３、選択トランジスタ２０３、および、電源供給線２０１のそれぞれのタイミングチャートが示されている。即ち、図１０の例のタイミングチャートは、図５または図６の構成の場合、即ち、通常駆動が行われる場合の例を示している。
【００８９】
なお、図１０に示される駆動パルスやその出力タイミングは例示にしか過ぎない。即ち、図１０は、本発明のハニカム構造イメージセンサが他の駆動モードで動作することを制限するものではない。
【００９０】
図１０の例において、画素１０１−１乃至１０１−７の各フォトダイオードの電荷の蓄積までの動作は、図９の例と基本的に同様であるので、ここではその説明は省略する。
【００９１】
画素１０１−１乃至１０１−７の各フォトダイオードに蓄積された電荷を読み出すために、選択トランジスタ２０３はオン状態に切り替わる。この状態で、リセットトランジスタ１０３がON状態になり、転送トランジスタ１０２−１がON状態になると、画素１０１−１のフォトダイオードに蓄積された電荷はFDに読み出されることで、信号レベル（画素データ）が読み出される。以下同様にして、画素１０１−２乃至１０１−７についても全く同様に、リセットトランジスタ１０３と各転送トランジスタ１０２−２乃至１０２−７とのそれぞれが順次オン状態になっていく。これにより、各フォトダイオードの電荷（画素データ）が順次読み出されていく。
【００９２】
その後、選択トランジスタ２０３がオン状態からオフ状態に変わると、１ユニット３０１内の画素１０１−２乃至１０１−７の画素データの読み出し（転送）が終了する。
【００９３】
即ち、１ユニット３０１内の画素１０１−１乃至１０１−７の電荷蓄積時間は、１発目の転送トランジスタ１０２−１乃至１０２−７の各パルスから２発目の転送トランジスタ１０２−１乃至１０２−７の各パルスまでの期間に相当する時間となる。
【００９４】
このように、図１０の範囲のタイミングチャートに従ったFD駆動が行われることで、図８の画像データ読み出し処理のうち、処理対象ユニットについてのステップＳ３乃至Ｓ６のループ処理が実行されることになる。
【００９５】
［本発明のハニカム構造イメージセンサの４乃至６画素共有の場合の各例］
【００９６】
以上、本発明のハニカム構造イメージセンサとして、７画素共有構造を例として説明してきた。ただし、７画素共有構造は必須ではなく、４画素共有構造以上であれば足りる。そこで、以下、６、５、４画素共有構造の具体例についてその順番に順次説明していく。
【００９７】
図１１は、６画素共有の本発明のハニカム構造イメージセンサの画素配置例を示す図である。
【００９８】
図１１の例では、中央（７画素共有では中央という意）の１つの画素１０１とその周囲を取り巻く５つの画素１０１との総計６つの画素１０１で、本発明のハニカム構造の１ユニットが構成されている。
【００９９】
なお、図１１の例のアーキテクチャでは、FD駆動により電荷を読み出す方式を採用されている。このため、選択トランジスタは省略した回路構造になっている。ただし、選択トランジスタがある回路構造を採用しても構わないことは言うまでもない。
【０１００】
即ち、６画素共有の本発明のハニカム構造イメージセンサの回路構成としては、例えば図４乃至図６のうちのいずれかの構成から、１つの画素１０１分のフォトダイオードと転送トランジスタ１０２を省略した構成を採用することができる。
【０１０１】
図１２は、６画素共有の本発明のハニカム構造イメージセンサによる画像データ読み出し処理の一例を説明する図である。
【０１０２】
図１２に示されるように、１つのユニット５０１は、６つの画素１０１−１乃至１０１−６により構成される。なお、画素１０１−ｋ（図１２の例では、ｋは１乃至６のうちのいずれかの整数値）におけるｋは、図１２の各画素内に記述されている番号、即ち、ユニット内画素番号を示している。
【０１０３】
１つのユニット５０１に着目した場合、各画素１０１のデータの読み出しは、ユニット内画素番号ｋの順番、即ち、図１２の例では、画素１０１−１乃至１０１−６の順番で順次行われる。即ち、１つのユニット５０１の単位では、図８のステップＳ６の処理を「ｋ＞６であるか？」という処理に変更するだけで、ステップＳ３乃至Ｓ６の処理をそのまま適用することができる。また、図９または図１０のタイミングチャートについても、１つの画素１０１分の転送トランジスタ１０２のタイミングチャートを省略することで、そのまま適用することができる。
【０１０４】
図１３は、５画素共有の本発明のハニカム構造イメージセンサの画素配置例を示す図である。
【０１０５】
図１３の例では、中央（７画素共有では中央という意）の１つの画素１０１とその周囲を取り巻く４つの画素１０１との総計５つの画素１０１で、本発明のハニカム構造の１ユニットが構成されている。
【０１０６】
なお、図１３の例のアーキテクチャでは、FD駆動により電荷を読み出す方式を採用されている。このため、選択トランジスタは省略した回路構造になっている。ただし、選択トランジスタがある回路構造を採用しても構わないことは言うまでもない。
【０１０７】
即ち、５画素共有の本発明のハニカム構造イメージセンサの回路構成としては、例えば図４乃至図６のうちのいずれかの構成から、２つの画素１０１分のフォトダイオードと転送トランジスタ１０２を省略した構成を採用することができる。
【０１０８】
図１４は、５画素共有の本発明のハニカム構造イメージセンサによる画像データ読み出し処理の一例を説明する図である。
【０１０９】
図１４に示されるように、１つのユニット６０１は、５つの画素１０１−１乃至１０１−５により構成される。なお、画素１０１−ｋ（図１４の例では、ｋは１乃至５のうちのいずれかの整数値）におけるｋは、図１４の各画素内に記述されている番号、即ち、ユニット内画素番号を示している。
【０１１０】
１つのユニット６０１に着目した場合、各画素１０１のデータの読み出しは、ユニット内画素番号ｋの順番、即ち、図１４の例では、画素１０１−１乃至１０１−５の順番で順次行われる。即ち、１つのユニット６０１の単位では、図８のステップＳ６の処理を「ｋ＞５であるか？」という処理に変更するだけで、ステップＳ３乃至Ｓ６の処理をそのまま適用することができる。また、図９または図１０のタイミングチャートについても、２つの画素１０１分の転送トランジスタ１０２のタイミングチャートを省略することで、そのまま適用することができる。
【０１１１】
図１５は、４画素共有の本発明のハニカム構造イメージセンサの画素配置例を示す図である。
【０１１２】
図１５の例では、中央（７画素共有では中央という意）の１つの画素１０１とその周囲を取り巻く３つの画素１０１との総計４つの画素１０１で、本発明のハニカム構造の１ユニットが構成されている。
【０１１３】
なお、図１５の例のアーキテクチャでは、FD駆動により電荷を読み出す方式を採用されている。このため、選択トランジスタは省略した回路構造になっている。ただし、選択トランジスタがある回路構造を採用しても構わないことは言うまでもない。
【０１１４】
即ち、４画素共有の本発明のハニカム構造イメージセンサの回路構成としては、例えば図４乃至図６のうちのいずれかの構成から、３つの画素１０１分のフォトダイオードと転送トランジスタ１０２を省略した構成を採用することができる。
【０１１５】
図１６は、４画素共有の本発明のハニカム構造イメージセンサによる画像データ読み出し処理の一例を説明する図である。
【０１１６】
図１６に示されるように、１つのユニット７０１は、４つの画素１０１−１乃至１０１−４により構成される。なお、画素１０１−ｋ（図１６の例では、ｋは１乃至４のうちのいずれかの整数値）におけるｋは、図１６の各画素内に記述されている番号、即ち、ユニット内画素番号を示している。
【０１１７】
１つのユニット７０１に着目した場合、各画素１０１のデータの読み出しは、ユニット内画素番号ｋの順番、即ち、図１６の例では、画素１０１−１乃至１０１−４の順番で順次行われる。即ち、１つのユニット７０１の単位では、図８のステップＳ６の処理を「ｋ＞４であるか？」という処理に変更するだけで、ステップＳ３乃至Ｓ６の処理をそのまま適用することができる。また、図９または図１０のタイミングチャートについても、３つの画素１０１分の転送トランジスタ１０２のタイミングチャートを省略することで、そのまま適用することができる。
【０１１８】
[画素共有オンチップレンズの構造例]
【０１１９】
ところで、画素の微細化の視点からすると、現状（本願の出願時点）の技術では、オンチップレンズの加工精度には限界がある。このため、従来の手法では、ミクロンサイズのレンズを高精度で作製することや、短焦点で曲率の大きい凸レンズを実現することが非常に難しかった。従来の手法とは、オンチップレンズ素材にマスクパターンのレジストを塗布し、熱リフローによってレジストを融解させ、その表面張力で凸レンズパターンを形成してからエッチングによりレンズ素材に形状を転写する、という手法である。
【０１２０】
一方で、本発明のハニカム構造イメージセンサの画素共有の単位（１ユニット）としては、例えば７画素共有といったように大きなユニットを採用することができる。さらに、より一段と大きなユニット、例えば、その周囲の１２画素を含めた計１９画素からなるハニカム構造のユニットを、１ユニットとして採用することができる。このように、本発明のハニカム構造は、４画素以上の任意の画素からなるハニカム構造を１ユニットとすることができ、この１ユニットに対して１つのマイクロレンズを配置することができる。よって、レンズ加工精度に応じた自由度の高い集光素子を容易に実現できる。また、副次的な効果として、複数画素にまたがるオンチップレンズを採用すると、マイクロレンズが射出瞳の部分集合からの光束を集光することになるので、被写体の合焦状態の把握や奥行き方向の情報を得ることが可能になる。よって、TTL（Through The Lens）位相差検出型のオートフォーカス機能や被写体の奥行き情報を得るための機能を実現することもできる。以下、画素共有オンチップレンズの具体例や、それを用いた技術の具体例について説明していく。
【０１２１】
図１７は、本発明のハニカム画素イメージセンサの受光素子（画素）と集光素子との位置関係を示した模式図である。
【０１２２】
ここで、１ユニットの中心となる１つの画素１０１を、特に中心画素１０１と称することにする。
【０１２３】
本発明のハニカム構造の１ユニットとしては、中心画素１０１とその周囲を取り巻く６つの画素１０１との総計７つの画素１０１から構成されるユニット８０１を採用することができる。
【０１２４】
この場合、従来の技術をそのまま適用すると、１つの画素１０１に対して1つの集光素子９０１（例えばオンチップマイクロレンズ）を有する構造が採用されることになる。かかる構造では、１つの画素１０１が微細化されると、その分だけ、集光素子９０１も微細化する必要があり、上述の如く、現状の加工技術では対応困難となってしまう。即ち、画素１０１の受光素子の微細化により集光素子９０１の加工精度もそれに応じて高い精度が要求されるようになる。集光素子９０１として現在主流のオンチップマイクロレンズを採用した場合、現状の作成手法としては、次のような第１乃至第４の工程からなる手法が採用されている。即ち、第１の工程とは、オンチップレンズ素材に塗布されたレジストにレンズパターンを作りこみ、熱リフローによってレジストを融解させ、その表面張力で凸レンズパターンを形成するという工程である。第２の工程とは、エッチングによりレンズ素材に凸レンズ形状を転写することでオンチップレンズを作成するという工程である。このような第１の工程と第２の工程からなる手法では、数umを切るような画素サイズに対応することは困難である。この手法による精度的な限界に達しているからである。
【０１２５】
そこで、ユニット８０１に対して（７画素に対して）１つの集光素子９０２（例えばオンチップマイクロレンズ）を採用すると好適である。このようにして、複数画素間で共有する集光素子を採用することで、その集光素子の加工精度も、微細化された画素に応じて要求される精度よりも低い精度で足りることになる。即ち、現状のオンチップマイクロレンズの作製手法を採用しても特に問題は生じないことになる。このように、複数画素間で共有する集光素子を採用することは、従来の画素単位の集光素子を採用した場合に比較して、集光素子の集光特性の固体間差バラツキの低減や集光特性の安定性向上の点で有効である。
【０１２６】
さらに、ユニット８０１に対して、その外周を取り巻く１２個の画素１０１を含む総計１９個の画素１０１から構成される１ユニット８０２を採用することもできる。この場合、ユニット８０２に対して（１９画素に対して）１つの集光素子９０２（例えばオンチップマイクロレンズ）を採用することができる。
【０１２７】
さらにまた、ユニット８０２に対して、その外周を取り巻く１８個の画素１０１を含む総計３７個の画素１０１から構成される１ユニット８０３を採用することもできる。この場合、ユニット８０３に対して（３７画素に対して）１つの集光素子９０３（例えばオンチップマイクロレンズ）を採用することができる。
【０１２８】
即ち、中心画素１０１をＭ重（Ｍは１以上の整数値）に取り囲む各画素１０１により構成されるハニカム構造を１ユニットとして採用することができる。この場合、その１ユニットに対して１つの集光素子（例えばオンチップマイクロレンズ）を採用することができる。換言すると、中心画素１０１を中心として、隣接画素間隔（隣接する画素までの距離）以上の一定の距離を半径とする円周上またはその内側に属する画素からなるハニカム構造を、１ユニットとして採用することができる。ここで隣接画素間隔を単位距離１と仮定した場合に、中心画素１０１からX画素以上離れない範囲内に存在する画素１０１の総数Nは、N=1+Σ(6*X) (ΣはX=0〜xまでの範囲で総和)で記述することができる。即ち、１ユニットには、N個の画素１０１が含まれており、N個の画素１０１の間で１つの集光素子が共有される。なお、ここでいう１ユニットとは、１つの集光素子を配置させるハニカム構造のユニットをいい、必ずしもトランジスタを共有するという意味のユニットと１：１に対応しなくてもよい。
【０１２９】
また、集光素子は、オンチップマイクロレンズ（マイクロ凸レンズ）に特に限定されない。例えば、サブ波長構造集光素子（Sub-Wavelength-Lens: SWLL）を集光素子として採用することもできる。ここでサブ波長構造集光素子とは、次のような素子をいう。即ち、サブ波長構造集光素子とは、画素が感度を有する電磁波波長よりも有意に小さいスケールの微細加工を屈折率n（ここでn>1）の光学素子に施すことにより得られる素子である。より正確には、そのような素子に対して、微小体積に占める空気（屈折率=1）と光学素子との体積比率を制御することで、段階的な屈折率変化を持つ２次元屈折率分布の光学素子が実現される。その結果、かかる光学素子は、集光効果を得る光学素子となる。このような集光素子が、サブ波長構造集光素子である。
【０１３０】
図１８は、本発明のハニカム構造イメージセンサの画素の配置例を示す上面図である。
【０１３１】
図１８の例では、説明を容易なものとすべく、７つの画素１０１からなるハニカム構造ユニット（以下、画素ユニットと称する）と、１つの集光素子が配置されるユニット９０２（以下、集光素子配置用ユニットと称する）とは一部のみが描画されている。即ち、実際には、本発明のハニカム構造イメージセンサが有する全画素がハニカム構造状に敷き詰められる。
【０１３２】
図１８に示されるように、画素ユニットと集光素子配置ユニット９０２との配置関係は、本発明のハニカム構造イメージセンサの中心領域では、集光素子の光軸を画素ユニットの中心と偏心なく揃うようにし、周辺領域では、集光素子の光軸を画素ユニットの中心に対して偏心させるようにするとよい。これにより、本発明のハニカム構造イメージセンサの周辺領域において斜め入射光成分を効率よく集光することが可能になり、周辺減光（シェーディング）の軽減を図ることができる。なお、図１８の例では、１つの集光素子配置ユニット９０２に対し、１つの集光素子を配置した構成になっている。ただし、当然ながら、１つの画素１０１に対して１つの集光素子を配置した構成でも構わないし、それよりも多くの画素１０１に対して１つの集光素子を配置する構成でも構わない。
【０１３３】
[画素共有オンチップレンズの使用例：位相差検出]
【０１３４】
以下、本発明のハニカム構造の１ユニットに対して１つの集光素子を採用した場合の使用例として、位相差検出機能を実現する手法についてその概要を説明する。
【０１３５】
図１９、図２０、図２１、図２２の各図は、位相差検出機能を実現する手法を説明するための図である。
【０１３６】
図１９乃至図２２において、点１５０１Ａ，１５０１Ｂは、被写体の特定の１点、例えば点光源を示している。点１５０１Ａ，１５０１Ｂからみて図中左から順に、カメラレンズ群１５０２、集光素子群１５０３、および、受光素子アレイ１５０４が配置されている。受光素子アレイ１５０４とは、本発明のハニカム構造により配置されている各画素１０１（フォトダイオード）の集合体をいう。即ち、受光素子アレイ１５０４を構成する各四角が１つの画素１０１を示している。また、図１７のユニット８０１が採用されており、集光素子９０２が、集光素子群１５０３の１つの素子に対応する。集光素子群１５０３の１つの集光素子９０２は、対角する３つの画素１０１に相当するとする。即ち、「対角する３つの画素１０１」とは、図１７のX−X'断面における３つの画素１０１、即ち、画素１０１Ｃを含む色つきの３つの画素１０１を意味している。
【０１３７】
なお、図１９乃至図２２の例では、便宜上、X−X'断面の画素数は３画素として描画されている。即ち、図１７を用いて説明したように、X−X'断面の画素数は、５画素や７画素またはそれ以上を採用しても構わない。
【０１３８】
図１９に示されるように、被写体の点１５０１Ａからの光は、レンズ群１５０２により集光され１つの集光素子９０２上に焦点を結び、例えば画素１０１Ａ乃至１０１Ｃに結像する。同様に、被写体の点１５０１Ｂからの光は、レンズ群１５０２により１つの集光素子９０２上に焦点を結び、例えば画素１０１Ｄ乃至１０１Ｆに結像する。
【０１３９】
図２０には、被写体の点１５０１Ａに焦点が合った条件下（いわゆる合焦の条件下）での位置関係が示されている。
【０１４０】
被写体の点１５０１Ａからの光のうち、レンズ群１５０２の中央領域に入射される光は、図２０のＡに示されるように伝搬する。即ち、レンズ群１５０２により集光され１つの集光素子９０２上に焦点を結び、例えば集光素子９０２に対角する３つの画素１０１Ａ乃至１０１Ｃのうち、中央の画素１０１Ｂ（図１７の中心画素１０１）に結像する。
【０１４１】
被写体の点１５０１Ａからの光のうち、レンズ群１５０２の図２０中上側領域に入射される光は、図２０のＢに示されるように伝搬する。即ち、レンズ群１５０２により集光され１つの集光素子９０２上に焦点を結び、例えば集光素子９０２に対角する３つの画素１０１Ａ乃至１０１Ｃのうち、図２０中下側の画素１０１Ｃに結像する。
【０１４２】
被写体の点１５０１Ａからの光のうち、レンズ群１５０２の図２０中下側領域に入射される光は、図示はしないが次のように伝搬する。即ち、レンズ群１５０２により集光され１つの集光素子９０２上に焦点を結び、例えば集光素子９０２に対角する３つの画素１０１Ａ乃至１０１Ｃのうち、図２０中上側の画素１０１Ａに結像する。
【０１４３】
このように各々の画素１０１（各々の受光素子）には、被写体からの光のうち、レンズ群１５０２の開口の一部分（サブアパーチャ）からの光が選択的に届くことになる。
【０１４４】
図２１には、被写体の点１５０１Ａよりも手前に焦点が合った条件下（いわゆる前ピンの条件下）での位置関係が示されている。
【０１４５】
この場合、被写体の点１５０１Ａからの光のうち、図２０の合焦の条件下では中央の画素１０１Ｂ（図１７の中心画素１０１）に結像した光は、図２１中下側の画素１０１Ｃよりも若干上の領域までずれて結像することになる。
【０１４６】
また、図２２には、被写体の点１５０１Ａよりも奥側に焦点が合った条件下（いわゆる後ピンの条件下）での位置関係が示されている。
【０１４７】
この場合、被写体の点１５０１Ａからの光のうち、図２０の合焦の条件下では中央の画素１０１Ｂ（図１７の中心画素１０１）に結像した光は、図２２中下側の画素１０１Ｃよりも若干下の領域までずれて結像することになる。
【０１４８】
このように、複数の画素１０１に対して１つの集光素子９０２を対応付けると、被写体からの光のうち、レンズ群１５０２の開口の一部分（サブアパーチャ）からの光が、各画素１０１に選択的に届くことになる。さらに、その選択的に届く光の結像位置は、焦点が合った位置に応じて移動していくことになる。よって、これらの複数の画素１０１の間の各光度値の比較を行うことで、合焦位置を判別することが可能になる。その結果として、位相差検出型オートフォーカス機能を容易に実現することができるようになる。さらに、本発明のハニカム構造イメージセンサでは、各画素１０１の全面に、複数画素を覆う集光素子９０２が配置される。よって、画像撮影後の後処理により再フォーカスを行える３次元カメラ（ライトフィールドカメラ）にも容易に適用することができるようになる。
【０１４９】
以上まとめると、複数の画素１０１に対して１つの集光素子９０２を対応付けると、その集光素子９０２によって、主撮像レンズからなるレンズ群１５０２の射出瞳と画素１０１（受光素子）との位置関係が略共役（略結像）になる。レンズ群１５０２の射出瞳から集光素子９０２までの距離は、集光素子９０２から画素１０１までの距離に比べて十分に大きい。画素１０１は集光素子９０２の略焦点面に配置されることになる。よって、各画素１０１は集光素子９０２を通して、レンズ群１５０２の偏心した部分集合からの光束を集光することになる。それにより、本発明のハニカム構造イメージセンサの合焦位置よりも前後にある物体での位相差検出を行ったり、その物体までの距離情報を得ることが可能になる。
【０１５０】
［本発明のハニカム構造イメージセンサの色再現について］
【０１５１】
図２３は、各画素１０１が異なる色フィルタを備えている場合のデモザイキングの一例について説明する図である。
【０１５２】
単色イメージセンサや、1画素が複数の色（複数波長）に対して感度を有するイメージセンサ、例えばFoveon X3などシリコンの積層方向で色分離を行うイメージセンサでは、デモザイク処理自体が不要な場合もある。しかしながら、一般のイメージセンサは、RGBフィルタもしくは補色系カラーフィルタを有する場合が多い。本発明のハニカム構造イメージセンサをこのようなイメージセンサに適用する場合には、各画素１０１が3色それぞれの色情報を保持するよう再現するために、デモザイク処理が必要になるときがある。
【０１５３】
従来の図１のＡに示される正方行列構造のイメージセンサの場合、即ち、均一画素サイズを持つ正方行列イメージセンサの場合、隣接画素間との距離をＤ（単位は任意）とするとX軸Y軸方向にN画素だけ離れた対象画素との距離は常にＤの整数倍になる。
【０１５４】
一方で、本発明のハニカム構造イメージセンサの場合、隣接画素との距離をＤとすると、対象画素１０１に対して２つ隣の画素１０１の距離は、２Ｄになる場合と√3Ｄになる場合の2ケースが発生する。即ち、対象画素１０１との位置関係によっては、画素間隔の比率は簡単な整数比ではなくなる。そのため、デモザイク処理を実行する場合、画素間隔を正確に計算すると演算量が膨大になってしまうおそれがある。
【０１５５】
そこで、デモザイク処理の演算量を削減するための手法として、隣接画素間との距離を整数比になるように近似する手法を本発明人は発明した。
【０１５６】
図２３の例では、RGB3色のイメージセンサでのデモザイク処理が想定されている。
【０１５７】
図中白色の画素１０１Ｇは、緑色（Ｇ）に感度を有する画素を示している。以下、画素１０１Ｇを緑画素１０１Ｇと称する。図中黒色の画素１０１Ｒは、赤色（Ｒ）に感度を有する画素を示している。以下、画素１０１Ｒを赤画素１０１Ｒと称する。図中灰色の画素１０１Ｂは、青色（Ｂ）に感度を有する画素を示している。以下、画素１０１Ｂを青画素１０１Ｂと称する。
【０１５８】
例えば、図中位置Ｐａにおける緑画素１０１Ｇを対象画素として、赤色の光度値をデモザイクにより復元する場合を考える。なお、左側の位置Ｐｂにおける赤画素１０１Ｒとの距離をＤとする。この場合、対象画素１０１Ｇに対して２つ隣の画素１０１としては、上側の位置Ｐｃにおける赤画素１０１Ｒと、右側の位置Ｐｄにおける赤画素１０１Ｒとが存在する。上側の位置Ｐｃにおける赤画素１０１Ｒとの距離は、２Ｄとなる。これに対して、右側の位置Ｐｄにおける赤画素１０１Ｒとの距離は√3Ｄになる。そこで、本発明の手法では、２つ隣の画素１０１との距離として、２Ｄや√３Ｄを採用するのではなく、双方ともに距離を２Ｄと近似して、デモザイク処理が行われることになる。
【０１５９】
ここで、一例として、位置Ｐｂにおける赤画素１０１Ｒの光度値は80とされ、位置Ｐｃにおける赤画素１０１Ｒの光度値は75とされ、位置Ｐｄにおける赤画素１０１Ｒの光度値は89とされるとする。この場合、画素間の距離を正しく計算したときには、位置Ｐａにおける緑画素１０１Ｇに対してデモザイク処理により内挿された値は80.19となる。一方で、本発明の手法により、２つ隣の画素１０１との距離を２Ｄと近似して計算したときには、位置Ｐａにおける緑画素１０１Ｇに対してデモザイク処理により内挿された値は80.0である。両者の差異は0.24%程しかなく、本発明の手法を採用しても、十分実用に耐えうる。
【０１６０】
なお、色フィルタの組み合わせは、図２３の例、即ち、RGB3色の配列に特に限定されない。
【０１６１】
図２４は、７画素共有の本発明のハニカム構造イメージセンサに対して、取り得る色フィルタの配置の４つの例を示している。
【０１６２】
図２４のＡは、3種類の色フィルタＣａ，Ｃｂ，Ｃｃの配置例を示している。例えば本発明のハニカム構造イメージセンサを可視波長のイメージセンサに適用した場合、色フィルタＣａは緑色の波長を透過するフィルタであることが望ましい。また、色フィルタはＣｂ、Ｃｃのそれぞれとして、青もしくは赤の波長を透過する色フィルタを採用することができる。
【０１６３】
図２４のＢは、7種類の色フィルタＣａ，Ｃｂ，Ｃｃ，Ｃｄ，Ｃｅ，Ｃｆ，Ｃｇの配置例を示している。7種類の色フィルタＣａ，Ｃｂ，Ｃｃ，Ｃｄ，Ｃｅ，Ｃｆ，Ｃｇは、例えばRGB, シアン, マジェンダ, イエロー, 白色光, 赤外線、その他、任意の波長帯のうち各１色ずつの色フィルタを採用することができる。
【０１６４】
図２４のＣは、3種類の色フィルタＣａ，Ｃｂ，Ｃｃの配置例を示している。例えば所定の１種類の色フィルタＣａは、中心画素１０１に対して配置される。残りの2種類の色フィルタＣｂ,Ｃｃは、中心画素１０１を囲む６つの画素１０１に対して、交互に配置される。
【０１６５】
図２４のＤは、5種類の色フィルタＣａ，Ｃｂ，Ｃｃ，Ｃｄ，Ｃｅの配置例を示している。5種類の色フィルタＣａ，Ｃｂ，Ｃｃ，Ｃｄ，Ｃｅは、例えばRGB, シアン, マジェンダ, イエロー, 白色光, 赤外線、その他、任意の波長帯のうち各１色ずつの色フィルタを採用することができる。ただし、最も個数が多い色フィルタＣａが緑色の波長を透過するフィルタであると好適である。
【０１６６】
なお、図２４に示される色フィルタの配置の例を採用した場合でも、デモザイク処理による各画素の色情報の導出手法は、図２３を用いた手法をそのまま採用することができる。
【０１６７】
次に、デモザイク処理による画素間の補間について説明する。かかる補間により、空間解像度の改善が図られる。
【０１６８】
図２５は、デモザイク処理による画素間の補間の一例について説明する図である。
【０１６９】
実線で描画されたハニカム形状の画素１０１が実画素を示している。一方、点線で描画された画素１０１Ｎが、デモザイクにより再現可能な仮想画素を示している。本発明のハニカム構造は、互いに60度ずつ傾いた軸上に実画素１０１が配置される構造である。即ち、本発明のハニカム構造は、1軸を水平 or 垂直に固定すると、他方の軸は半画素分だけオフセットした構造になる。よって、例えば、横方向に隣接する２つの実画素１０１の画素値の平均値を、仮想画素１０１Ｎの画素値とすることができる。これにより、水平方向の解像度を倍にすることができる。その結果、本発明のハニカム構造イメージセンサの実質的な解像度を高めることができるようになる。
【０１７０】
＜３．本発明が適用された固体撮像素子の別の実施の形態＞
【０１７１】
図２６は、本発明が適用された固体撮像素子の一実施の形態であって、上述した本発明のハニカム構造イメージセンサとは異なる実施の形態の構成を示す図である。
【０１７２】
図２６の例では、画素２００１の配列の構造自体は、正方行列構造が採用されている。一方、集光素子２００２の配列の構造は、７画素を１ユニットとする本発明のハニカム構造が採用されている。
【０１７３】
上述の如く、本発明のハニカム構造は、正方行列構造に比べてフィリングファクタが大きい。よって、本発明のハニカム構造を有する集光素子２００１は、正方行列構造を有する同一面積の集光素子と比べて高い効率が得られる。一方で、画素２００１の配列の構造として従来の正方行列構造を採用すれば、従来から存在する一般的なアーキテクチャを実現できる。即ち、図２６の固体撮像素子の構造は全体として、本発明のハニカム構造と正方行列構造の両者のメリットを活かした構造であるといえる。なお、本発明のハニカム構造と正方行列構造との関係は、相対的に正方行列を1/4画素分だけオフセットした関係になる。しかしながら、この程度のオフセットだけならば、本発明のハニカム構造の集光素子２００１による高い集光効率を、従来の画素アーキテクチャのまま実現しても何等問題はない。
【０１７４】
＜４．本発明のハニカム構造の長所＞
以下、本発明のハニカム構造の効果について説明する。
【０１７５】
本発明のハニカム構造と、図１のＡに示される正方行列構造とを比較するに、上述の如く、フィリングファクタが12%も大きくなる。このように、本発明のハニカム構造は、正方行列構造と比較して、平面充填率が高く、より高い効率で光を集光することができるという効果を奏することが可能になる。
【０１７６】
また、本発明のハニカム構造は、画素共有によるトランジスタ数を削減できる、という効果を奏することができる。即ち、上述の如く、本発明のハニカム構造イメージセンサでは、４画素以上の画素間でのトランジスタ共有の回路アーキテクチャを実現することができる。即ち、従来の正方行列構造では4画素でのトランジスタ共有が一般的に取りうる最大の画素共有回路構成である。また、特許文献５の従来の画素ユニットでは３画素でのトランジスタ共有しかできない。本発明のハニカム構造イメージセンサは、それらよりも多数の画素(例えば5,6,7画素)のトランジスタ共有が容易に実現できる。例えば、７画素共有の本発明のハニカム構造イメージセンサでは、リセットトランジスタ,選択トランジスタ, 増幅トランジスタを共有することができる。よって、10トランジスタ(Tr)/7画素=1.43Tr/画素を実現できる。上述した特許文献５の従来の画素ユニットの2.0Tr/画素と比較して非常に小さくなっていることがわかる。さらに、ドレイン端子からFDの電位を制御するFD駆動を採用した場合には、選択トランジスタを省略したアーキテクチャを採用することも可能である。その場合は、9トランジスタ(Tr)/7画素=1.29Tr/画素にまで減少する。単位画素あたりのトランジスタ数の減少は、低コスト化、省回路面積化によるPD領域の拡大、トランジスタ数削減による歩留まり改善や低電力化に対して、顕著な効果を奏することが可能になる。
【０１７７】
また、本発明のハニカム構造は、オンチップマイクロレンズ等の集光素子として、イメージセンサ内での集光特性の面内バラツキを軽減する集光素子を採用できる、という効果を奏することが可能になる。さらに、本発明のハニカム構造は、それらの集光素子を用いた位相差検出が容易にできる、という効果を奏することが可能になる。本発明のハニカム構造は、例えば7画素からなる大きなハニカム構造となる。さらに、この７画素からなるハニカム構造を中心に、画素を何重にも囲むハニカム構造を作り出すことが容易にできる。よって、このような本発明のハニカム構造に属する複数の画素に対して、１つの集光素子を採用することができる。即ち、集光素子を画素間で共有することができる。これにより、加工精度の劣化が起きないサイズでの集光素子の実現が可能になる。その結果、イメージセンサ内での集光特性の面内バラツキを軽減することができる。さらに、１つの集光素子下に複数画素を配置することで、画素間で被写体からの光の位相差検出をすることが可能になる。その結果、位相差検出型オートフォーカスや３次元カメラなどへの適用が容易に可能になる。
【０１７８】
また、集光素子のみを本発明のハニカム構造として、画素は従来の正方行列構造を採用することもできる。この場合の回路構造は、従来の正方行列構造と共通なので、その点は変化ないまま、集光効率や空間的な解像度の異方性の無さという本発明のハニカム構造のメリットを享有できる、という効果を奏することが可能になる。
【０１７９】
本発明が適用された固体撮像素子は、撮影機能を有する様々な電子機器のカメラ部分に適用可能である。電子機器としては例えば、デジタルスチルカメラやデジタルビデオカメラ、ノート型パーソナルコンピュータ、携帯電話機などがある。このような電子機器に入力された、若しくは、電子機器内で生成した映像信号を画像若しくは映像を撮影するあらゆる分野の電子機器のカメラ部分に、本発明が適用された固体撮像素子に適用することが可能である。以下この様なカメラが適用された電子機器の例を示す。
【０１８０】
例えば、本発明は、電子機器の一例であるデジタルスチルカメラに適用できる。このデジタルスチルカメラは、撮像レンズ、表示部、コントロールスイッチ、メニュースイッチ、シャッター等に加えて、本発明が適用された固体撮像素子を含むように作製される。
【０１８１】
例えば、本発明は、電子機器の一例であるノート型パーソナルコンピュータに適用できる。このノート型パーソナルコンピュータにおいて、その本体には文字等を入力するとき操作されるキーボードを含み、その本体カバーにはカメラ部分を含む。このノート型パーソナルコンピュータは、本発明が適用された固体撮像素子をカメラ部分に用いることにより作製される。
【０１８２】
例えば、本発明は、電子機器の一例である携帯端末装置に適用できる。この携帯端末装置は、上部筺体と下部筺体とを有している。この携帯端末装置の状態としては、それらの２つの筺体が開いた状態と、閉じた状態とが存在する。この携帯端末装置は、上述した上側筐体と下側筐体との他、連結部（ここではヒンジ部）、ディスプレイ、サブディスプレイ、ピクチャーライト、カメラ部分等を含み、本発明が適用された固体撮像素子をカメラ部分に用いることにより作製される。
【０１８３】
例えば、本発明は、電子機器の一例であるデジタルビデオカメラに適用可能である。デジタルビデオカメラは、本体部、前方を向いた側面に被写体撮影用のレンズ、撮影時のスタート／ストップスイッチ、モニタに加えて、本発明が適用された固体撮像素子を含むように作製される。
【０１８４】
なお、本発明の実施の形態は、上述した実施の形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々の変更が可能である。
【符号の説明】
【０１８５】
１０１  画素，１０２  転送トランジスタ，  １０３  リセットトランジスタ，  １０４  増幅トランジスタ，  １０５  FD，  ２０１  電源供給線，  ２０２  信号出力線，  ２０３  選択トランジスタ，  ９０２,９０３,９０４  集光素子
【図１】
2010161200.tif 000003
【図２】
2010161200.tif 000004
【図３】
2010161200.tif 000005
【図４】
2010161200.tif 000006
【図５】
2010161200.tif 000007
【図６】
2010161200.tif 000008
【図７】
2010161200.tif 000009
【図８】
2010161200.tif 000010
【図９】
2010161200.tif 000011
【図１０】
2010161200.tif 000012
【図１１】
2010161200.tif 000013
【図１２】
2010161200.tif 000014
【図１３】
2010161200.tif 000015
【図１４】
2010161200.tif 000016
【図１５】
2010161200.tif 000017
【図１６】
2010161200.tif 000018
【図１７】
2010161200.tif 000019
【図１８】
2010161200.tif 000020
【図１９】
2010161200.tif 000021
【図２０】
2010161200.tif 000022
【図２１】
2010161200.tif 000023
【図２２】
2010161200.tif 000024
【図２３】
2010161200.tif 000025
【図２４】
2010161200.tif 000026
【図２５】
2010161200.tif 000027
【図２６】
2010161200.tif 000028
【手続補正書】
【提出日】平成22年1月29日(2010.1.29)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００６
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００６】
近年、搭載トランジスタ数を減少させつつ、画素の平面充填率が高く、より高い効率で光を集光できる固体撮像素子の実現が要求されている。しかしながら、上述の特許文献１乃至５並びに非特許文献１及び２も含め従来の技術では、かかる要求に充分に応えられていない現状である。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００３６
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００３６】
即ち、固体撮像素子としてのCMOSイメージセンサの画素構造に着目すると、微細化や低コスト化のためには単位画素あたりのトランジスタの数を出来る限り少なくする画素共有の技術が重要になる。またトランジスタ数が減ればフォトダイオードの占有面積が相対的に向上するので、高感度化にも繋がる。このため、従来の正方行列構造の固体撮像素子でも、高効率の画素共有方式が研究開発されている。例えば特許文献５には、2x2もしくは1x4画素に対してリセットトランジスタ、選択トランジスタ、増幅トランジスタを共有する方式が開示されている。また、非特許文献２には、ドレイン端子をパルス駆動することでFD電位を制御可能にしたFD駆動方式により選択トランジスタを省略する手法が開示されている。このような高効率の画素共有方式を採用した従来の正方行列構造の固体撮像素子の単位画素あたりのトランジスタ数は、従来の画素ユニットの場合と比べてむしろ少なくなる。
【手続補正３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００７７
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００７７】
図９には、上から、転送トランジスタ１０２−１乃至１０２−７、リセットトランジスタ１０３、および、電源供給線２０１のそれぞれのタイミングチャートが示されている。即ち、図９の例のタイミングチャートは、図４の構成の場合、即ち、FD駆動が行われる場合の例を示している。
【手続補正４】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０１７３
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０１７３】
上述の如く、本発明のハニカム構造は、正方行列構造に比べてフィリングファクタが大きい。よって、本発明のハニカム構造を有する集光素子２００２は、正方行列構造を有する同一面積の集光素子と比べて高い効率が得られる。一方で、画素２００１の配列の構造として従来の正方行列構造を採用すれば、従来から存在する一般的なアーキテクチャを実現できる。即ち、図２６の固体撮像素子の構造は全体として、本発明のハニカム構造と正方行列構造の両者のメリットを活かした構造であるといえる。なお、本発明のハニカム構造と正方行列構造との関係は、相対的に正方行列を1/4画素分だけオフセットした関係になる。しかしながら、この程度のオフセットだけならば、本発明のハニカム構造の集光素子２００２による高い集光効率を、従来の画素アーキテクチャのまま実現しても何等問題はない。
【手続補正５】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０１７９
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０１７９】
本発明が適用された固体撮像素子は、撮影機能を有する様々な電子機器のカメラ部分に適用可能である。電子機器としては例えば、デジタルスチルカメラやデジタルビデオカメラ、ノート型パーソナルコンピュータ、携帯電話機などがある。このような電子機器のカメラ部分に、本発明が適用された固体撮像素子に適用することが可能である。以下この様なカメラが適用された電子機器の例を示す。