(57)【要約】【課題】受光面積が大小異なる光電変換素子の配列で受光に関与しない面積の増大および、サイズが大小異なる複雑な光電変換素子形状を回避して、明るさが異なる２枚のカラー画像を位置ずれなくかつ同時に撮像する。【解決手段】フィルタの色境界で各画素に分けられた二次元配列は複数枚（ここでは４枚）の同色画素群に分割され、同色画素群は、互いに重ならないように二次元配列の縦横一つ飛ばしに画素の間隙を開けて配設されており、各光電変換素子はフォトダイオードと転送ゲートから構成され、光電変換素子は画素（フィルタ）より多く配列され、同色画素群において互いに隣接する複数の画素に含まれる光電変換素子の転送ゲートの出力端が互いに接続された複数画素共有構造を有している。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
被写体からの画像光を光電変換して撮像する複数の光電変換素子が半導体基板または半導体層にマトリクス状に配設され、該複数の光電変換素子の上方に単位複数の光電変換素子毎に対応した同色のフィルタが所定色配列でマトリクス状に配設され、該同色のフィルタの所定色配列は該同色のフィルタが縦横一つ飛ばしにフィルタ間隙を開けて配列されており、該光電変換素子はフォトダイオードと転送ゲートを有し、該同色のフィルタに対応する該単位複数の光電変換素子の各転送ゲートの出力端が互いに接続されて読出回路を共有する複数画素共有構造を有している固体撮像装置。
【請求項２】
前記同色のフィルタ毎の前記単位複数の光電変換素子を明時素子および暗時素子と該暗時素子とのうちの少なくとも該明時素子および該暗時素子に分け、該明時素子の総受光面積は該暗時素子の総受光面積より小さく、該明時素子の転送ゲートをオンレベルにする低感度読出しを行い、該暗時素子の転送ゲートをオンレベルにする高感度読出しを行って、受光面積が異なる２枚のカラー画像を撮像する請求項１に記載の固体撮像装置。
【請求項３】
前記明時素子の画素信号を複数加算し、前記暗時素子の画素信号を複数加算して、
互いに加算された該明時素子の画像重心と、互いに加算された該暗時素子の画像重心とが一致している請求項２に記載の固体撮像装置。
【請求項４】
前記同色のフィルタの複数行に跨る複数画素共有構造を有し、
該同色のフィルタの少なくとも２行の画素に含まれる前記明時素子の信号電荷を加算し、該同色のフィルタの少なくとも２行の画素に含まれる前記暗時素子の信号電荷を加算して、複数行の画素信号を加算する請求項２に記載の固体撮像装置。
【請求項５】
前記フィルタの列毎にディジタル値を得るためにＡＤ変換器を備え、
前記同色のフィルタの少なくとも２列の前記明時素子のディジタル値を加算し、該同色のフィルタの少なくとも２列の前記暗時素子のディジタル値を加算して、複数列の画素信号を加算する請求項２に記載の固体撮像装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、被写体からの画像光を光電変換して撮像する半導体素子およびその上方のフィルタを２次元状に配列したＣＭＯＳ（Ｃｏｍｐｌｅｍｅｎｔａｒｙ  Ｍｅｔａｌ  Ｏｘｉｄｅ  Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）イメージセンサなどの固体撮像装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
被写体を撮像する従来の固体撮像装置において、半導体基板に設けられた複数の受光部としての複数のフォトダイオードのそれぞれから出力可能な電荷量に回路構成上の上限がある。このため、フォトダイオードへの最大入射光量が制限されている。フォトダイオードへの受光面積が小さいほど、フォトダイオードに発生する電荷量はより少なくなる。
【０００３】
図１０は、特許文献１に開示されている従来のエリアイメージセンサにおける複数の受光部の配列を示す一部平面図である。
【０００４】
図１０において、従来のエリアイメージセンサ１００における複数の受光部は、受光面積が異なった光電変換素子（フォトダイオード）がマトリクス状に配置されている。面積的に大小の大受光部１０１と小受光部１０２とが横方向および縦方向に交互に配置されている。
【０００５】
このとき、受光面積が小さいほど少ない電荷量を発生するため、特許文献１では、受光面積の異なる大小面積の受光部をマトリクス状に配列することにより、最大入射光量の異なる受光部を利用してダイナミックレンジの拡大を実現している。
【０００６】
図１１は、特許文献２に開示されている従来の固体撮像装置における複数の受光部の配列を示す一部平面図である。
【０００７】
図１１において、従来の固体撮像装置２００において、面積的に大きい複数の大受光部２０１は横方向および縦方向にマトリクス状に配置されている。面積的に小さい複数の小受光部２０２は、大受光部２０１の斜め方向の間に配置されている。これらの複数の大受光部２０１および複数の小受光部２０２はそれぞれ、光は角部分に当たり難いため、平面視正方形の角部分を均等に取り去って平面視正８角形状としている。
【０００８】
このように、特許文献２では、正８角形状の開口を持つ複数の大受光部２０１および複数の小受光部２０２をハニカム状に配置することにより、開口が大小に異なる複数の大受光部２０１および複数の小受光部２０２を効率的に密に並べて総受光面積を最大にしようとしている。この場合も、最大入射光量の異なる大小の受光部２０１，２０２を利用してダイナミックレンジの拡大を実現している。
【０００９】
次に、特許文献３のＣＭＯＳイメージセンサには複数の光電変換素子をひとまとまりにした複数画素共有構造を持つものが開示されている。複数画素共有構造（ここでは４画素共有構造）では、複数画素を一つの読出回路で共有することにより、読出回路を構成するトランジスタを削減する分、画素面積（受光面積）を増大させて受光感度を向上させることができる。
【００１０】
図１２は、特許文献３に開示されている従来の複数画素共有の固体撮像装置の具体例を示した回路図である。
【００１１】
図１２において、従来の複数画素共有の固体撮像装置３００では、近接する複数の画素、例えば同一画素列に属し、互いに隣接する縦４画素３０１，３０２，３０３，３０４を１単位として、これら４画素間で１つのＦＤ（フローティングディフュージョン）部３０５を共通化（共有）する構成となっている。近接する複数の画素間での共通化に当たっては、同一画素列で共通化した方が、各画素からの信号読出しのタイミング制御が容易である。
【００１２】
１単位となる４つの画素３０１，３０２，３０３，３０４はそれぞれ、受光部（光電変換部）であるフォトダイオード３０６，３０７，３０８，３０９を有している。４つの画素３０１，３０２，３０３，３０４は、２つずつが組（対）になっている。一方の組の２つの画素３０１，３０２の画素領域に増幅トランジスタ３１０が設けられ、他方の組の２つの画素３０３，３０４の画素領域にリセットトランジスタ３１１が設けられている。
【００１３】
リセットトランジスタ３１１のドレイン電極が選択電源ＳＥＬＶＤＤに、増幅トランジスタ３１０のドレイン電極が固定電源Ｖｄｄにそれぞれ接続されている。リセットトランジスタ３１１のソース電極は縦４画素３０１，３０２，３０３，３０４間で共有するＦＤ部３０５に接続されている。リセットトランジスタ３１１のゲート電極にはリセットパルスＲＳＴが選択的に印加される。増幅トランジスタ３１０のゲート電極はＦＤ部３０５に接続され、ソース電極は垂直信号線３１２に接続されている。
【００１４】
上記構成により、まず、選択電源ＳＥＬＶＤＤが第１電圧レベル（例えばＧＮＤ）から第２電圧レベルＶＤＤに切り替わることにより、１行目〜４行目の各画素３０１，３０２，３０３，３０４が選択状態になる。このとき同時に、リセットパルスＲＳＴがアクティブ状態（ここでは“Ｈ”レベル）になることにより、４画素共通（１行目〜４行目）のリセットトランジスタ３１１がオン状態になる。これによって、４画素共通のＦＤ部３０５の電荷がリセットトランジスタ３１１を通して選択電源線ＳＥＬＶＤＤ側に捨てられる。その結果、ＦＤ部３０５の電位が選択電源ＳＥＬＶＤＤの第２電圧レベルＶＤＤにリセットされる。このときのＦＤ部３０５の電位が１行目の画素３０１のリセットレベルとして、増幅トランジスタ３１０によって垂直信号線３１２に出力される。
【００１５】
次に、リセットパルスＲＳＴが非アクティブ状態（ここでは“Ｌ”レベル）に遷移した後、１行目の転送パルスＴＲＧ１がアクティブ状態（ここでは“Ｈ”レベル）になることにより、画素３０１の転送トランジスタ３１３がオン状態になる。これによって、フォトダイオード３０６で光電変換された信号電荷（光電子）が転送トランジスタ３１３によってＦＤ部３０５に転送される。このとき、ＦＤ部３０５の電位は、フォトダイオード３０６から転送された信号電荷の電荷量に対応した電位となる。このＦＤ部３０５の電位が１行目の画素３０１の信号レベルとして、増幅トランジスタ３１０によって垂直信号線３１２に出力される。
【００１６】
その後、リセットパルスＲＳＴがアクティブ状態になり、次いで、選択電源ＳＥＬＶＤＤが第２電圧レベルＶＤＤから第１電圧レベルＧＮＤに切り替わることにより、１行目〜４行目の各画素３０１，３０２，３０３，３０４が非選択状態になる。
【００１７】
以上を繰り返すことによって、フォトダイオード３０６，３０７，３０８，３０９で光電変換された信号電荷（光電子）を、転送トランジスタ３１３、３１４，３１５，３１６によって順次ＦＤ部３０５に転送される。このとき、ＦＤ部３０５の電位は、フォトダイオード３０６から転送された信号電荷の電荷量に対応した電位となって、増幅トランジスタ３１０によって各画素の撮像信号として垂直信号線３１２に順次出力される。
【００１８】
次に、従来の２画素共有構造の事例について説明する。
【００１９】
図１３は、従来の２画素共有の固体撮像装置の具体例を示した回路図である。
【００２０】
図１３に示すように、従来の２画素共有構造の固体撮像装置４００において、フォトダイオード４０１と転送ゲート４０２（転送トランジスタ）で構成される２個の光電変換素子ＰＩＸ１、ＰＩＸ２は、浮遊電極ＦＤ（フローティングディフュージョン）を経由し１個の読出回路４０３で共有されている。
【００２１】
それぞれの転送ゲート４０２を開閉する転送信号ＴＸ１、ＴＸ２を異なるタイミングで個別にオンレベルにすることにより、２個の光電変換素子ＰＩＸ１、ＰＩＸ２の電荷を独立して順次時系列に浮遊電極ＦＤに出力することができる。
【００２２】
即ち、リセット信号ＲＳＴ（消去信号）がアクティブ状態から非アクティブ状態に遷移した後、転送信号ＴＸ１がアクティブ状態になり、リセットゲート４０４がオンからオフした後に光電変換素子ＰＩＸ１の転送ゲート４０２がオン状態になる。
【００２３】
このように、光電変換素子ＰＩＸ１のフォトダイオード４０１で光電変換された信号電荷（光電子）がオン状態の転送ゲート４０２によって浮遊電極ＦＤに電荷転送される。このとき、浮遊電極ＦＤの電位は、フォトダイオード４０１から転送された信号電荷の電荷量に対応した電位となっている。この浮遊電極ＦＤの電位が光電変換素子ＰＩＸ１のフォトダイオード４０１の信号レベルとして、ソースフォロアトランジスタ４０５（増幅トランジスタ）によって増幅された後に、選択信号ＳＥＬによりオンした選択ゲート４０６を介して垂直信号線ＳＩＧに撮像信号として出力される。
【００２４】
次に、リセット信号ＲＳＴ（消去信号）がアクティブ状態から非アクティブ状態に遷移した後、転送信号ＴＸ２がアクティブ状態になり、リセットゲート４０４がオンからオフした後に光電変換素子ＰＩＸ２の転送ゲート４０２がオン状態になる。
【００２５】
このように、光電変換素子ＰＩＸ２のフォトダイオード４０１で光電変換された信号電荷（光電子）がオン状態の転送ゲート４０２によって浮遊電極ＦＤに電荷転送される。このとき、浮遊電極ＦＤの電位は、フォトダイオード４０１から転送された信号電荷の電荷量に対応した電位となっている。この浮遊電極ＦＤの電位が光電変換素子ＰＩＸ２のフォトダイオード４０１の信号レベルとして、ソースフォロアトランジスタ４０５（増幅トランジスタ）によって増幅された後に、選択信号ＳＥＬによりオンした選択ゲート４０６を介して垂直信号線ＳＩＧに撮像信号として出力される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００２６】
【特許文献１】特開昭６１−２４７１７６号公報
【特許文献２】特許第４０１８８２０号
【特許文献３】特開２０１１−９７６２５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００２７】
特許文献１に開示され、受光面積が大小異なる大受光部１０１と小受光部１０２を交互に配列する上記従来の固体撮像装置１００では、受光面積が１種類の平面視矩形形状の光電変換素子を二次元状に配列する場合と比較して、受光面積が大きい大受光部１０１で撮像した画像と、受光面積が小さい小受光部１０２で撮像した画像とは互いに各画像に位置ずれが生じる上に、受光に関与しない面積が増えて望ましい高感度が得られ難く、また、受光面積が大小の複雑な受光部形状で配置が必要なためにその製造自体も困難になっている。
【００２８】
また、特許文献２に開示された上記従来の固体撮像装置２００では、開口が大小に異なる複数の大受光部２０１および複数の小受光部２０２を斜め方向に効率的に並べて総受光面積を最大にしようとしているものの、上記従来の固体撮像装置１００の場合と同様に、大受光部２０１および小受光部２０２の各画像に位置ずれが生じる上に、受光面積が大小の複雑な受光部形状で配置が必要なためにその製造自体も困難になっている。
【００２９】
さらに、特許文献３に開示された縦方向の４画素共有構造を持つ上記従来の固体撮像装置３００では、フォトダイオード３０６〜３０９で光電変換された各信号電荷を各撮像信号としてＦＤ部３０５を介して垂直信号線３１２に順次出力させているだけであって、４個のフォトダイオード３０６〜３０９を１個の読出回路で共有することによって、その分、フォトダイオード３０６〜３０９の総受光面積をできるだけ大きくして受光感度を上げている。ところが、ここでは、ダイナミックレンジの拡大については何ら考慮されていない。
【００３０】
さらに、図１３に開示した上記従来の２画素共有構造の固体撮像装置４００では、２個の光電変換素子ＰＩＸ１、ＰＩＸ２の各信号電荷を１個の読出回路４０３により順次時系列に垂直信号線ＳＩＧに撮像信号として読み出している。
【００３１】
この場合、転送信号ＴＸ１、ＴＸ２を同時にオンレベルにすることにより、２個の光電変換素子ＰＩＸ１、ＰＩＸ２の信号電荷を加算して浮遊電極ＦＤに同時に出力することができる。この機能により、受光面積を電気的に選択することができる。つまり、２個の光電変換素子ＰＩＸ１、ＰＩＸ２のいずれかを個別に読んだ画像は２個同時に読んだ画像よりも暗くなり、受光感度比が１：２になる。このことはダイナミックレンジの拡大に利用することが可能である。
【００３２】
ところが、２画素共有構造を持つ上記従来の固体撮像装置４００では、読出回路３０３を光電変換素子の数よりも少なくし、総受光面積をできるだけ大きくして受光感度を上げることが複数画素共有構造の本来の目的であって、ここでは、受光面積が大小異なる複数のカラー画像を同時に撮像することができない。
【００３３】
つまり、２個の光電変換素子ＰＩＸ１、ＰＩＸ２のいずれかを個別に読んだ画像と、２個同時に読んだ画像とは同時に存在せず、これをダイナミックレンジの拡大に利用する場合に受光面積の大小異なる２つの画像には時間的なずれが存在してしまう。
【００３４】
本発明は、上記従来の問題を解決するもので、受光面積が大小異なる光電変換素子の配列で受光に関与しない面積の増大および、サイズが大小異なる複雑な光電変換素子形状を回避して、明るさが異なる２枚のカラー画像を位置ずれなくかつ同時に撮像することができる固体撮像装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００３５】
本発明の固体撮像装置は、被写体からの画像光を光電変換して撮像する複数の光電変換素子が半導体基板または半導体層にマトリクス状に配設され、該複数の光電変換素子の上方に単位複数の光電変換素子毎に対応した同色のフィルタが所定色配列でマトリクス状に配設され、該同色のフィルタの所定色配列は該同色のフィルタが縦横一つ飛ばしにフィルタ間隙を開けて配列されており、該光電変換素子はフォトダイオードと転送ゲートを有し、該同色のフィルタに対応する該単位複数の光電変換素子の各転送ゲートの出力端が互いに接続されて読出回路を共有する複数画素共有構造を有しているものであり、そのことにより上記目的が達成される。
【００３６】
また、好ましくは、本発明の固体撮像装置における同色のフィルタ毎の前記単位複数の光電変換素子を明時素子および暗時素子と該暗時素子とのうちの少なくとも該明時素子および該暗時素子に分け、該明時素子の総受光面積は該暗時素子の総受光面積より小さく、該明時素子の転送ゲートをオンレベルにする低感度読出しを行い、該暗時素子の転送ゲートをオンレベルにする高感度読出しを行って、受光面積が異なる２枚のカラー画像を撮像する。
【００３７】
さらに、好ましくは、本発明の固体撮像装置において、前記明時素子の画素信号を複数加算し、前記暗時素子の画素信号を複数加算して、互いに加算された該明時素子の画像重心と、互いに加算された該暗時素子の画像重心とが一致している。
【００３８】
さらに、好ましくは、本発明の固体撮像装置における同色のフィルタの複数行に跨る複数画素共有構造を有し、該同色のフィルタの少なくとも２行の画素に含まれる前記明時素子の信号電荷を加算し、該同色のフィルタの少なくとも２行の画素に含まれる前記暗時素子の信号電荷を加算して、複数行の画素信号を加算する。
【００３９】
さらに、好ましくは、本発明の固体撮像装置におけるフィルタの列毎にディジタル値を得るためにＡＤ変換器を備え、前記同色のフィルタの少なくとも２列の前記明時素子のディジタル値を加算し、該同色のフィルタの少なくとも２列の前記暗時素子のディジタル値を加算して、複数列の画素信号を加算する。
【００４０】
さらに、好ましくは、本発明の固体撮像装置におけるフィルタの列毎に可変増幅率のゲイン手段を備え、該列毎にディジタル値を得るためにＡＤ変換器を備え、前記低感度読出し時より前記高感度読出し時の増幅率を大きく増幅してから、該ＡＤ変換器によりディジタル値を取得する。
【００４１】
本発明の電子情報機器は、本発明の上記固体撮像装置を画像入力デバイスとして撮像部に用いたものであり、そのことにより上記目的が達成される。
【００４２】
上記構成により、以下、本発明の作用を説明する。
【００４３】
本発明においては、被写体からの画像光を光電変換して撮像する複数の光電変換素子が半導体基板または半導体層にマトリクス状に配設され、複数の光電変換素子の上方に単位複数の光電変換素子毎に対応した同色のフィルタが所定色配列でマトリクス状に配設され、同色のフィルタの所定色配列は該同色のフィルタが縦横一つ飛ばしにフィルタ間隙を開けて配列されており、光電変換素子はフォトダイオードと転送ゲートを有し、同色のフィルタに対応する単位複数の光電変換素子の各転送ゲートの出力端が互いに接続されて読出回路を共有する複数画素共有構造を有している。
【００４４】
このように、フィルタの色境界で画素に分けられた二次元配列に画素より多い光電変換素子を配列し、少なくとも２個の画素に含まれる光電変換素子で複数画素共有構造を用いるため、受光面積が大小異なる光電変換素子の配列で受光に関与しない面積の増大および、サイズが大小異なる複雑な光電変換素子形状を回避して、明るさが異なる２枚のカラー画像を位置ずれなくかつ同時に撮像することが可能となる。
【発明の効果】
【００４５】
以上により、本発明によれば、受光面積が大小異なる光電変換素子の配列で受光に関与しない面積の増大および、サイズが大小異なる複雑な光電変換素子形状を回避して、明るさが異なる２枚のカラー画像を位置ずれなくかつ同時に撮像することができる。
【図面の簡単な説明】
【００４６】
【図１】本発明の実施形態１における固体撮像装置の部材領域例を示す一部平面図であって、（ａ）はフィルタ配列の繰り返し最小単位の４行４列のカラーフィルタ配列の繰り返しを示す一部平面図、（ｂ）はその４行４列のカラーフィルタ配列のサイズに対応した８行８列の光電変換素子の配列の繰り返しを示す一部平面図である。
【図２】図１のフィルタａ〜ｄに対する明時素子の光電変換素子ａ１〜ｄ１および暗時素子の光電変換素子ａ２〜ｄ２の各位置を示す一部平面図である。
【図３】８個の光電変換素子が１個の読出回路を共有している例を示す回路図である。
【図４】上記実施形態１の図２で説明した光電変換素子ａ１と光電変換素子ａ２の配列を実現した場合の回路図である。
【図５】（ａ）は、本発明の実施形態３における固体撮像装置が１枚のカラー画像を読み出す場合に、三原色フィルタの１行目のＧ，Ｒ行読出動作について説明するための図、（ｂ）は、本発明の実施形態３における固体撮像装置が１枚のカラー画像を読み出す場合に、三原色フィルタの２行目のＢ，Ｇ行読出動作について説明するための図である。
【図６】（ａ）は、本発明の実施形態３における固体撮像装置が１枚のカラー画像を読み出す場合に、三原色フィルタの３行目のＧ，Ｒ行読出動作について説明するための図、（ｂ）は、本発明の実施形態３における固体撮像装置が１枚のカラー画像を読み出す場合に、三原色フィルタの４行目のＢ，Ｇ行読出動作について説明するための図である。
【図７】（ａ）は、本発明の実施形態３における固体撮像装置が低感度と高感度の２枚のカラー画像を読み出す場合に、三原色フィルタの１行目のＧ，Ｒ行読出動作について説明するための図、（ｂ）は、本発明の実施形態３における固体撮像装置が低感度と高感度の２枚のカラー画像を読み出す場合に、三原色フィルタの２行目のＢ，Ｇ行読出動作について説明するための図である。
【図８】（ａ）は、本発明の実施形態３における固体撮像装置が低感度と高感度の２枚のカラー画像を読み出す場合に、三原色フィルタの３行目のＧ，Ｒ行読出動作について説明するための図、（ｂ）は、本発明の実施形態３における固体撮像装置が低感度と高感度の２枚のカラー画像を読み出す場合に、三原色フィルタの４行目のＢ，Ｇ行読出動作について説明するための図である。
【図９】本発明の実施形態４として、本発明の実施形態１〜３の固体撮像装置のいずれかを撮像部に用いた電子情報機器の概略構成例を示すブロック図である。
【図１０】特許文献１に開示されている従来のエリアイメージセンサにおける複数の受光部の配列を示す一部平面図である。
【図１１】特許文献２に開示されている従来の固体撮像装置における複数の受光部の配列を示す一部平面図である。
【図１２】特許文献３に開示されている従来の複数画素共有の固体撮像装置の具体例を示した回路図である。
【図１３】従来の２画素共有の固体撮像装置の具体例を示した回路図である。
【発明を実施するための形態】
【００４７】
以下に、本発明の固体撮像装置の実施形態１〜３および、この固体撮像装置の実施形態１〜３を画像入力デバイスとして撮像部に用いた例えばカメラ付き携帯電話装置などの電子情報機器の実施形態４について図面を参照しながら詳細に説明する。なお、各図における構成部材のそれぞれの幅や長さなどは図面作成上の観点から、図示する構成に限定されるものではない。
【００４８】
（実施形態１）
図１は、本発明の実施形態１における固体撮像装置の部材領域例を示す一部平面図であって、図１（ａ）はフィルタ配列の繰り返し最小単位の４行４列のカラーフィルタ配列の繰り返しを示す一部平面図、図１（ｂ）はその４行４列のカラーフィルタ配列のサイズに対応した８行８列の光電変換素子の配列の繰り返しを示す一部平面図である。
【００４９】
図１（ａ）および図１（ｂ）に示すように、本実施形態１の固体撮像装置１において、カラー画像を得るために色を分別する隣接４枚で４色のフィルタａ〜ｄの色配列と、入射光を検出する光電変換素子ａ１〜ｄ１およびａ２〜ｄ２の配列について、上方の例えば１個のフィルタａに対してその下方の４分割された４個の光電変換素子ａ１、ａ２または４個の光電変換素子ａ２が対応している。隣接４個の平面視４角形状のフィルタａ〜ｄと、４色のフィルタａ〜ｄを１単位として複数の光電変換素子ａ１、ａ２〜ｄ１，ｄ２の計１６個が配置されて、フィルタａ〜ｄを通過した光が光電変換素子ａ１、ａ２〜ｄ１，ｄ２にそれぞれ入射するように上下に対応して互いに重なって配置されている。複数の光電変換素子ａ１〜ｄ１およびａ２〜ｄ２の各サイズは同一サイズである。後述するが、明時素子が光電変換素子ａ１〜ｄ１に対応し、暗時素子が光電変換素子ａ２〜ｄ２に対応している。
【００５０】
フィルタａ〜ｄは、横ｗ、縦ｈの距離で等分割された平面視４角形状であり、フィルタａ〜ｄのそれぞれの区画領域を１画素とする。横２ｗ、縦２ｈの範囲に配列した４個のフィルタａ〜ｄで示す４画素を１最小単位として異なる４色で塗り分けると、最大４色の色配列表現が可能である。
【００５１】
要するに、被写体からの画像光を光電変換して撮像する複数の光電変換素子ａ１、ａ２〜ｄ１，ｄ２が半導体基板または半導体層にマトリクス状に配設され、複数の光電変換素子ａ１、ａ２〜ｄ１，ｄ２の上方に単位複数（ここでは４個）の光電変換素子毎に対応した例えばフィルタａが４色の所定色配列でマトリクス状に配設されている。
【００５２】
同色の例えばフィルタａ（光電変換素子ａ１、ａ２）の所定色配列は、同色の例えばフィルタａ（光電変換素子ａ１、ａ２）が縦横一つ飛ばしにフィルタ間隙を開けて配列されている。縦横一つ飛ばしにフィルタ間隙を開けて配列された４個の同色の例えばフィルタａにおける明時素子の例えば光電変換素子ａ１が点対称の位置に配置され、暗時素子の例えば光電変換素子ａ２が点対称の位置に配置されている。
【００５３】
本実施形態１の固体撮像装置１において、光電変換素子ａ１、ａ２〜ｄ１，ｄ２はそれぞれ、撮像用のフォトダイオードとこれの信号電荷を転送する電荷転送用の転送ゲートとを有しており、同色の例えばフィルタａに対応する単位複数（ここでは４個）の光電変換素子ａ１、ａ２の各転送ゲートの出力端が互いに接続されて１個の電荷読出回路を共有する複数画素共有構造を有している。
【００５４】
本実施形態１の固体撮像装置１は、同色の例えばフィルタａ毎の単位複数（ここでは４個）の光電変換素子ａ１、ａ２を、明時素子の光電変換素子ａ１と暗時素子の光電変換素子ａ２、および暗時素子の光電変換素子ａ２だけのうちの少なくとも明時素子の光電変換素子ａ１と暗時素子の光電変換素子ａ２に分け、明時素子の総受光面積（光電変換素子ａ１の領域）は暗時素子の総受光面積（光電変換素子ａ２の領域）よりも小さく、明時素子（光電変換素子ａ１）の転送ゲートをオンレベルにする低感度読出しを行い、暗時素子（光電変換素子ａ２）の転送ゲートをオンレベルにする高感度読出しを行って、受光面積が異なる２枚のカラー画像を撮像するようになっている。
【００５５】
図２は、図１のフィルタａ〜ｄに対する明時素子の光電変換素子ａ１〜ｄ１および暗時素子の光電変換素子ａ２〜ｄ２の各位置を示す一部平面図である。
【００５６】
図２において、フィルタ配列の色をフィルタａ〜ｄの４色に分けて図示し、さらに、光電変換素子を、光電変換素子ａ１〜ｄ１で図示する明時素子と、光電変換素子ａ２〜ｄ２で図示する暗時素子とに分ける。
【００５７】
フィルタａについて、明時素子である光電変換素子ａ１はフィルタａの下にある４分割された１個の光電変換素子であり、縦横一つ飛ばしにフィルタ間隙を開けて配列させた４個の同色のフィルタａの重心と、明時素子の２個の光電変換素子ａ１の重心とが一致するように配置されている。
【００５８】
暗時素子である複数の光電変換素子ａ２は、フィルタａの下にある明時素子でない残る１４個の暗時素子の光電変換素子であり、縦横一つ飛ばしにフィルタ間隙を開けて配列させた４個の同色のフィルタａの重心と、暗時素子の１４個の光電変換素子ａ２の重心とが一致するように配置されている。
【００５９】
具体的には、右上の４個の光電変換素子ａ２と、左下の４個の光電変換素子ａ２とが一方の斜め方向に点対象に配置され、左上の３個の光電変換素子ａ２と、右下の３個の光電変換素子ａ２とが他方の斜め方向に点対象に配置されて、必然的に４個のフィルタａの重心とこの１４個の光電変換素子ａ２の重心とが一致している。したがって、明時素子の２個の光電変換素子ａ１の重心と、暗時素子の１４個の光電変換素子ａ２の重心とが一致する。
【００６０】
明時素子の光電変換素子ａ１と暗時素子の光電変換素子ａ２とは複数画素共有構造であるので、一様に全ての同一形状の光電変換素子（ここでは同一サイズで同一の平面視４角形）に光が入射すれば、明時素子と暗時素子の感度比は光電変換素子ａ１，ａ２の個数比に等しくなって、２：１４＝１：７となる。
【００６１】
次に、フィルタｂについて、明時素子である光電変換素子ｂ１は所定色のフィルタｂの下にある４分割された１個の光電変換素子であり、縦横一つ飛ばしにフィルタ間隙を開けて配列させた４個の同色のフィルタｂの重心と、明時素子の２個の光電変換素子ｂ１の重心とが一致するように配置されている。
【００６２】
暗時素子である複数の光電変換素子ｂ２は、フィルタｂの下にある明時素子でない残る１４個の暗時素子の光電変換素子であり、縦横一つ飛ばしにフィルタ間隙を開けて配列させた４個の同色のフィルタｂの重心と、暗時素子の１４個の光電変換素子ｂ２の重心とが一致するように配置されている。
【００６３】
具体的には、右上の４個の光電変換素子ｂ２と、左下の４個の光電変換素子ｂ２とが一方の斜め方向に点対象に配置され、左上の３個の光電変換素子ｂ２と、右下の３個の光電変換素子ｂ２とが他方の斜め方向に点対象に配置されて、必然的に４個のフィルタｂの重心とこの１４個の光電変換素子ｂ２の重心とが一致している。したがって、明時素子の２個の光電変換素子ｂ１の重心と、暗時素子の１４個の光電変換素子ｂ２の重心とも一致している。
【００６４】
明時素子の光電変換素子ｂ１と暗時素子の光電変換素子ｂ２とは複数画素共有構造であるので、一様に全ての同一形状の光電変換素子（ここでは同一サイズで同一の平面視４角形）に光が入射すれば、明時素子と暗時素子の感度比は光電変換素子ｂ１，ｂ２の個数比に等しくなって、２：１４＝１：７となる。
【００６５】
残りのフィルタｃの色についても相対位置が異なるだけで、明時素子の光電変換素子ｃ１と暗時素子の光電変換素子ｃ２は同様の配置・構造である。また、残りのフィルタｄの色についても相対位置が異なるだけで、明時素子の光電変換素子ｄ１と暗時素子の光電変換素子ｄ２は同様の配置・構造である。
【００６６】
したがって、本実施形態１の固体撮像装置１によれば、図示しない半導体基板または半導体層に配設された複数の光電変換素子ａ１、ａ２〜ｄ１、ｄ２とこの上方でこれに対応した所定色配列の複数のフィルタａ〜ｄとを平面視的に重ねて二次元状でマトリクス状に配列した固体撮像装置１において、フィルタの色境界で各画素に分けられた二次元配列は複数枚（ここでは４枚）の同色画素群に分割され、同色画素群は、互いに重ならないように二次元配列の縦横一つ飛ばしに画素の間隙を開けて配設されており、各光電変換素子はフォトダイオードと転送ゲートから構成され、光電変換素子は画素（フィルタ）より多く配列され、同色画素群において互いに隣接する複数の画素に含まれる光電変換素子の転送ゲートの出力端が互いに接続された複数画素共有構造を有している。
【００６７】
このように、同色の例えばフィルタａ（同色画素群）が縦横一つ飛ばしにフィルタ間隙を開けて４個配列され、同色の例えばフィルタａに対応する所定数（単位複数；ここでは４個）の光電変換素子の転送ゲートの出力端が互いに接続された複数画素共有構造を有していることから、同色の例えばフィルタａ（同色画素群；ここでは４個）に対応する所定数（単位複数；ここでは４個）の光電変換素子を、時系列の撮像電荷の読み出しにより明時素子と暗時素子に分けて、縦横一つ飛ばしの同色のフィルタ内の明時素子と暗時素子との画像重心が一致する２枚の画像を同時に得ることができる。
【００６８】
即ち、本実施形態１の固体撮像装置１によれば、同色のフィルタ（同色画素群）において光電変換素子を明時素子と暗時素子に分け、明時素子の総受光面積は暗時素子の総受光面積より小さく、明時素子の転送ゲートをオンレベルにする低感度読出しを行い、暗時素子の転送ゲートをオンレベルにする高感度読出しを行って、受光面積が異なる２枚のカラー画像を撮像することができる。
【００６９】
したがって、複数画素共有構造を用いているため、受光面積を稼ぐと共に、同一サイズで同一形状の光電変換素子とすることができるため、従来のように大小受光面積が異なる光電変換素子の配列で受光に関与しない面積が増大することおよび、従来のように大小の複雑な光電変換素子形状を回避することができる。また、縦横一つ飛ばしの同色のフィルタ内の明時素子と暗時素子との画像重心が一致するため、高感度と低感度の明るさが異なる２枚のカラー画像を位置ずれなくかつ同時に撮像することができる。
【００７０】
２枚のカラー画像は、外部の明るさが極端に暗い場合には高感度のカラー画像を出力させることができ、外部の明るさが極端に明るい場合には低感度のカラー画像を出力させることができて、よりはっきりしたカラー画像が得られる。また、１枚のカラー画像において、明る過ぎる領域には低感度のカラー画像の領域を、暗過ぎる領域には高感度のカラー画像の領域を対応させることもできる。
【００７１】
なお、本実施形態１では、具体的に明時素子と暗時素子の個数（個数によって受光面積が変わる）と位置を図示したが、即ち、明時素子を内側の２個にし、暗時素子を残る１４個にする場合について説明したが、これに限らず、その他の構成、例えば明時素子を内側の４個にし、暗時素子を残る１２個にする場合においても本発明の目的が達成できる。要するに、縦横一つ飛ばしの同色のフィルタ内の明時素子と暗時素子との画像重心が一致する明時素子と暗時素子との配置であれば明時素子と暗時素子の受光面積比率をどのように組み合わせてもよい。明時素子の受光面積は暗時素子の受光面積よりも狭い。
【００７２】
なお、本実施形態１では、本発明の実施形態１をフィルタａ〜ｄの４色の色配列で説明したが、４色は例えば三原色（Ｒ，Ｇ，Ｂ）の他に黄色、肌色、エメラルド色または紫色など各種の色を組み合わせることができる。また、例えば三原色（Ｒ，Ｇ，Ｂ）のいずれかを２つ用いて３色の色配列とすることもできる。例えばベイヤー配列に本発明の実施形態１を適用することもできる。
【００７３】
例えばベイヤー配列の場合、三原色（Ｒ，Ｇ，Ｂ）の他に、斜め方向に位置するフィルタａとフィルタｄまたは、フィルタｂとフィルタｃに解像度の高い緑色（Ｇ）を２つ用いればよい。したがって、例えばベイヤー配列では、フィルタａ〜ｄの色は、一方の斜め方向に緑色（Ｇ）と緑色（Ｇ）を配置し、他方の斜め方向に赤色（Ｒ）と青色（Ｂ）を配置し、光電変換素子は、フィルタａ〜ｄに対応した画素１個当たり横２個、縦２個の合計４個配列している。例えばベイヤー配列を含む今回の４色の色配列では同色のフィルタは隣り合わないので、同色のフィルタは縦横一つ飛ばしのフィルタ配置となる。
【００７４】
（実施形態２）
上記実施形態１では、画像重心が一致する画素配置について説明したが、本実施形態２では、本発明の複数画素共有構造の回路構成について、図３および図４を参照しながら説明する。
【００７５】
図３は、８個の光電変換素子が１個の読出回路を共有している例を示す回路図である。
【００７６】
図３において、８画素共有構造の固体撮像装置１Ａにおいて、フォトダイオード２と転送ゲート３（転送トランジスタ）で構成される４個×２＝８個の光電変換素子ａ１、ａ２は、浮遊電極ＦＤ（フローティングディフュージョン）を経由して１個の読出回路４で共有されている。それぞれのフォトダイオード２は転送ゲート３により浮遊電極ＦＤを経由して読出回路４の入力に接続されている。８画素共有構造の固体撮像装置１Ａにおいて、８個の転送ゲート３のうち、転送信号ＴＸＳ１が入力される転送信号線ＴＸＳ１は１個の転送ゲート３のゲートに接続され、転送信号ＴＸＬ１が入力される転送信号線ＴＸＬ１は３個の転送ゲート３のゲートに接続され、転送信号ＴＸＬ２が入力される転送信号線ＴＸＬ２は４個の転送ゲート３のゲートに接続されている。
【００７７】
このように、異なる個数の転送ゲート３をまとめた３種類の転送信号ＴＸＬ１、ＴＸＳ１、ＴＸＬ２を設けることにより、一度に電荷転送される光電変換素子ａ１またはａ２の個数を１、３、４、７、８に場合分けすることができる。全ての光電変換素子ａ１またはａ２に異なる転送信号ＴＸＬ１、ＴＸＳ１、ＴＸＬ２を割り当てても回路的には問題ないが、配線数が増加するためできるだけ少ない転送信号ＴＸＬ１、ＴＸＳ１、ＴＸＬ２を設けることが望ましく、図４のような画素配列の場合には、３種類の転送信号ＴＸＬ１、ＴＸＳ１、ＴＸＬ２が適切である。
【００７８】
それぞれの転送ゲート３を開閉する転送信号ＴＸＬ１およびＴＸＬ２と転送信号ＴＸＳ１とを異なるタイミングで個別にオンレベルにすることにより、７個の光電変換素子ａ２の信号電荷と１個の光電変換素子ａ１の信号電荷とをそれぞれ時系列に独立して浮遊電極ＦＤに順次出力することができる。
【００７９】
読出回路４は、リセットゲート５と、ソースフォロアトランジスタ６（増幅トランジスタ）と、選択ゲート７とを有して浮遊電極ＦＤの電位に応じた撮像信号が垂直信号線ＳＩＧに出力される。
【００８０】
リセットゲート５は、浮遊電極ＦＤと電源線ＰＶＤＤに接続され、浮遊電極ＦＤの電圧を初期値として電源電圧線ＰＶＤＤの電源電圧ＰＶＤＤにリセットする。消去信号（リセット信号ＲＳＴ）が入力されるリセット信号線ＲＳＴはリセットゲート５のゲートに接続されている。
【００８１】
ソースフォロアトランジスタ６（増幅トランジスタ）と選択ゲート７とは直列に接続されて垂直信号線ＳＩＧと電源線ＰＶＤＤ間を接続している。ソースフォロアトランジスタ６（増幅トランジスタ）のゲートは浮遊電極ＦＤに接続されている。ソースフォロアトランジスタ６（増幅トランジスタ）は、選択ゲート７を介して浮遊電極ＦＤの電圧に比例した電圧を撮像信号として垂直信号線ＳＩＧに出力する。選択信号ＳＥＬが入力される選択信号線ＳＥＬは選択ゲート７のゲートに接続されている。
【００８２】
上記構成により、リセット信号ＲＳＴ（消去信号）がアクティブ状態でリセットゲート５がオンし、リセットゲート５を通して浮遊電極ＦＤを電源電圧ＰＶＤＤでリセットしてから、リセット信号ＲＳＴが非アクティブ状態に遷移してリセットゲート５がオフした後、転送信号ＴＸＬ１、ＴＸＬ２がアクティブ状態になって、対応した７個の光電変換素子ａ２の各転送ゲート３がオン状態になる。これによって、７個の光電変換素子ａ２の各フォトダイオード２で光電変換された信号電荷（光電子）がそれらに対応した各転送ゲート３によって浮遊電極ＦＤに電荷転送される。このとき、浮遊電極ＦＤの電位は、７個の光電変換素子ａ２の各フォトダイオード２から転送された信号電荷の電荷量に対応した電位となっている。この浮遊電極ＦＤの電位が７個の光電変換素子ａ２の各フォトダイオード２の撮像信号レベルとして、ソースフォロアトランジスタ６（増幅トランジスタ）によって増幅された後に、選択信号ＳＥＬにより選択ゲート７を介して垂直信号線ＳＩＧに出力される。
【００８３】
次に、転送信号ＴＸＳ１がアクティブ状態になって、対応した１個の光電変換素子ａ１の転送ゲート３がオン状態になる。これによって、１個の光電変換素子ａ１のフォトダイオード２で光電変換された信号電荷（光電子）がそれに対応した転送ゲート３によって浮遊電極ＦＤに電荷転送される。このとき、浮遊電極ＦＤの電位は、その１個の光電変換素子ａ１のフォトダイオード２から転送された信号電荷の電荷量に対応した電位となっている。この浮遊電極ＦＤの電位が１個の光電変換素子ａ１のフォトダイオード２の撮像信号レベルとして、ソースフォロアトランジスタ６（増幅トランジスタ）によって増幅された後に、選択信号ＳＥＬにより選択ゲート７を介して垂直信号線ＳＩＧに出力される。
【００８４】
以上の固体撮像装置１Ａにおける８画素共有構造の回路をどのように配列するかを図４を参照しながら詳細に説明する。
【００８５】
図４は、上記実施形態１の図２で説明した光電変換素子ａ１と光電変換素子ａ２の配列を実現した場合の回路図である。なお、破線はフィルタ境界を示している。
【００８６】
図４において、本実施形態２の固体撮像装置１Ａにおいて、一色分のフィルタ配列の繰り返し最小単位の４行４列分の回路構成だけが示されている。前述した図３の回路図で示した４画素共有構造と４画素共有構造とが縦方向に接続されて８画素共有構造となっている。縦方向の８画素共有構造を左右に２組配置している。なお、他の色にいても、図２に示すように同じ回路で相対位置が異なるだけであるため、ここでは他の色にいてその詳細説明を省略する。
【００８７】
フォトダイオード２と転送ゲート３で構成される光電変換素子ａ１，ａ２は、破線で示すフィルタ境界で分割される１個の画素領域に４個ずつ上下左右で合計１６個配置され、同一列の４個ずつ上下で合計８個の光電変換素子ａ１，ａ２は読出回路４を共有して撮像信号が信号線ＳＩＧに読み出される。
【００８８】
図４では、省略している読出回路４を含め各列の読出回路４は各列の垂直信号線ＳＩＧに増幅した撮像信号を出力するようになっている。図４では、省略している転送ゲート３を含め各行の転送ゲート３は各行の転送信号線ＴＸＬまたは転送信号線ＴＸＳにその各ゲートがそれぞれ接続されている。
【００８９】
２組の８画素共有構造において、１個の転送ゲート３が転送信号線ＴＸＳに接続され、残りの３個の転送ゲート３が転送信号ＴＸＬ１に接続され、さらに４個の転送ゲート３が転送信号ＴＸＬ２に接続されている。転送信号線ＴＸＳがオンレベルの時に明時素子として撮像信号を電荷転送し、転送信号線ＴＸＬ１、ＴＸＬ２の各電位がオンレベルの時に暗時素子として撮像信号を電荷転送する。
【００９０】
したがって、本実施形態２によれば、被写体からの画像光を光電変換して撮像する複数の光電変換素子が半導体基板または半導体層にマトリクス状に配設され、複数の光電変換素子の上方に所定数の光電変換素子毎に対応した同色のフィルタが所定色配列でマトリクス状に配設され、同色のフィルタの所定色配列は同色のフィルタが縦横一つ飛ばしにフィルタ間隙を開けて配列されており、光電変換素子はフォトダイオードと転送ゲートを有し、同色のフィルタに対応する所定数の光電変換素子の転送ゲートの出力端が互いに接続された複数画素共有構造を有している。さらに、同色のフィルタ（同色画素群）において光電変換素子を明時素子と暗時素子に分け、明時素子の総受光面積は暗時素子の総受光面積より小さく、明時素子の転送ゲートをオンレベルにする低感度読出しを行い、暗時素子の転送ゲートをオンレベルにする高感度読出しを行って、受光面積が異なる２枚のカラー画像を撮像する。さらに、同色のフィルタの２行（または２列）に跨る８画素共有構造を有し、同色のフィルタの２行（または２列）の画素に含まれる明時素子の信号電荷を加算し、同色のフィルタの２行（または２列）の画素に含まれる暗時素子の信号電荷を加算して、複数行の画素信号を加算する。
【００９１】
したがって、同色のフィルタの２行に跨る８画素共有構造を用いているため、受光面積を稼ぐと共に、同一サイズで同一形状の光電変換素子とすることができるため、従来のように大小受光面積が異なる光電変換素子の配列で受光に関与しない面積が増大することおよび、従来のように大小の複雑な光電変換素子形状を回避することができる。また、縦横一つ飛ばしの同色のフィルタ内の明時素子と暗時素子との画像重心が一致するため、高感度と低感度の明るさが異なる２枚のカラー画像を位置ずれなくかつ同時に撮像することができる。
【００９２】
なお、本実施形態２では、同色のフィルタの２行に跨る８画素共有構造を用いて、明時素子が１画素と暗時素子が７画素の場合について説明したが、明時素子と暗時素子の画素数の比率は明時素子が暗時素子よりも少なければよく、どのような組み合わせであってもよい。例えば、同色のフィルタの２行に跨る４画素共有構造を用いて、明時素子が１画素と暗時素子が３画素であってもよい。
【００９３】
（実施形態３）
本実施形態３では、一般的な三原色のフィルタを持つ固体撮像装置の動作と信号処理方法について、図５〜図８を参照しながら説明する。
【００９４】
図５（ａ）、図５（ｂ）、図６（ａ）および図６（ｂ）は、本発明の実施形態３における固体撮像装置１Ｂが１枚のカラー画像を撮像する場合に、三原色フィルタのＧ，Ｒ行読出およびＢ，Ｇ行読出動作について説明するための図である。
【００９５】
図５（ａ）に示すように、第１行目のＧ，Ｒ行読出において、三原色フィルタのうちのＧと表記された緑、Ｒと表記された赤のフィルタを所定配列（ベイヤー配列）で備える光電変換素子ａ１、ａ２、ｂ１、ｂ２の二次元配列が読み出される。第１行目のＧ，Ｒ行の画素の４個毎の光電変換素子ａ１、ａ２、ｂ１、ｂ２からの撮像信号４Ｇ、４Ｒに対応するａ倍のディジタル信号４ａＧ、４ａＲが得られる。
【００９６】
図５（ｂ）に示すように、第２行目のＢ，Ｇ行読出において、三原色フィルタのうちのＢと表記された青、Ｇと表記された緑のフィルタを所定配列（ベイヤー配列）で備える光電変換素子ｃ１、ｃ２、ｄ１、ｄ２の二次元配列が読み出される。第２行目のＢ、Ｇ行の画素の４個毎の光電変換素子ｃ１、ｃ２、ｄ１、ｄ２からの撮像信号４Ｂ、４Ｇに対応するａ倍のディジタル信号４ａＢ、４ａＧが得られる。
【００９７】
図６（ａ）に示すように、第３行目のＧ，Ｒ行読出において、三原色フィルタのうちのＧと表記された緑、Ｒと表記された赤のフィルタを所定配列（ベイヤー配列）で備える光電変換素子ａ１、ａ２、ｂ１、ｂ２の二次元配列が読み出される。第３行目のＧ，Ｒ行の画素の４個毎の光電変換素子ａ１、ａ２、ｂ１、ｂ２からの撮像信号４Ｇ、４Ｒに対応するａ倍のディジタル信号４ａＧ、４ａＲが得られる。
【００９８】
図６（ｂ）に示すように、第４行目のＢ，Ｇ行読出において、三原色フィルタのうちのＢと表記された青、Ｇと表記された緑のフィルタを所定配列（ベイヤー配列）で備える光電変換素子ｃ１、ｃ２、ｄ１、ｄ２の二次元配列が読み出される。第４行目のＢ、Ｇ行の画素の４個毎の光電変換素子ｃ１、ｃ２、ｄ１、ｄ２からの撮像信号４Ｂ、４Ｇに対応するａ倍のディジタル信号４ａＢ、４ａＧが得られる。
【００９９】
以降同様に繰り返し二次元配列の光電変換素子ａ〜ｄの残り全体が読み出される。
【０１００】
画素は横２個縦２個（２×２）の光電変換素子ａ１、ａ２〜ｄ１，ｄ２で構成され、黒く塗られた光電変換素子ａ１、ａ２、ｂ１、ｂ２またはｃ１、ｃ２、ｄ１、ｄ２が順次読み出される。
【０１０１】
画素の列毎に撮像信号を増幅するゲインとその後のＡＤ変換器とが設けられ、画素の１行分の光電変換素子ａ〜ｄのうち上から順に読出しを行い、撮像信号をａ倍に増幅した後にＡＤ変換器によりディジタル信号に符号化する。
【０１０２】
図７（ａ）、図７（ｂ）、図８（ａ）および図８（ｂ）は、本発明の実施形態３における固体撮像装置１Ｂが低感度と高感度の２枚のカラー画像を撮像する場合に、三原色フィルタのＧ，Ｒ行読出およびＢ，Ｇ行読出動作およびその信号処理方法について説明するための図である。
【０１０３】
画素を左右上下に１行飛ばしの２行毎に上から順に低感度と高感度の読出しを行い、低感度は撮像信号をａ倍に増幅し、高感度は撮像信号を２ａ倍に増幅した後にＡＤ変換器によりディジタル信号に符号化する。
【０１０４】
図７（ａ）に示すように、第１行目と第３行目のＧ、Ｒ行低感度読出において、Ｇ，Ｒ行の画素における１個の光電変換素子ａ１，ｂ１からの撮像信号１Ｇ、１Ｒに対応するゲインがａ倍のディジタル信号が同色で加算されてディジタル信号２ａＧ、２ａＲとして得られる。
【０１０５】
図７（ｂ）に示すように、第１行目と第３行目のＧ、Ｒ行高感度読出において、Ｇ，Ｒ行の画素における７個の光電変換素子ａ２，ｂ２からの撮像信号７Ｇ、７Ｒに対応するゲインが２ａ倍のディジタル信号が同色で加算され２８ａＧ、２８ａＲとして得られる。
【０１０６】
図８（ａ）に示すように、第２行目と第４行目のＢ、Ｇ行低感度読出において、第２行目と第４行目の画素の１個の光電変換素子ｃ１、ｄ１からの撮像信号１Ｂ、１Ｇに対応するゲインがａ倍のディジタル信号が同色で加算されてディジタル信号２ａＢ、２ａＧとして得られる。
【０１０７】
図８（ｂ）に示すように、第２行目と第４行目のＢ、Ｇ行高感度読出において、第２行目と第４行目の画素の残る７個の光電変換素子ｃ２、ｄ２からの撮像信号７Ｂ、７Ｇに対応するゲインが２ａ倍のディジタル信号が同色同士で加算されてディジタル信号２８ａＢ、２８ａＧとして得られる。
【０１０８】
以上により、本実施形態１によれば、同色の例えばフィルタａの２行に跨る８画素共有構造を有し、同色の例えばフィルタａの２行の画素に含まれる明時素子の信号電荷を加算し、同色の例えばフィルタａの２行の画素に含まれる暗時素子の信号電荷を加算して、２行の画素信号を加算している。また、フィルタの列毎にディジタル値を得るためにＡＤ変換器を備え、同色の例えばフィルタａの２列の明時素子のディジタル値を加算し、同色の例えばフィルタａの２列の暗時素子のディジタル値を加算して、２列の画素信号を加算している。このように、縦の信号は８画素共有構造を用いて同時に読み出して加算し、横の信号はデジタル的に加算している。
【０１０９】
また、本実施形態３のように、低感度読出し時より高感度読出し時のゲインを２倍にすることにより、感度比は光電変換素子の個数比１：７の２倍だけ大きくなって１：１４となる。
【０１１０】
このようにして、本実施形態３の固体撮像装置１Ｂは、矩形の光電変換素子を二次元配列するため製造が容易で、明るさが異なる２枚のカラー画像を位置ずれなくかつ同時に撮像することができる。
【０１１１】
したがって、本発明によるＣＭＯＳイメージセンサなどの固体撮像装置１Ｂは、明るさが異なる２枚のカラー画像を位置ずれなくかつ同時に撮像することができることから、明るさが異なる２枚のカラー画像を合成し、高ダイナミックレンジの１枚のカラー画像が得られ、さらに、連続して撮像することも容易なカラー動画も得ることができる。本発明の実施形態１〜３はディジタルカメラ、ビデオカメラ、監視カメラなどに応用できる。これについて次の実施液体４で詳細に説明する。
【０１１２】
（実施形態４）
図９は、本発明の実施形態４として、本発明の実施形態１〜３の固体撮像装置のいずれかを撮像部に用いた電子情報機器の概略構成例を示すブロック図である。
【０１１３】
図９において、本実施形態４の電子情報機器９０または９０Ａまたは９０Ｂは、上記実施形態１〜３のいずれかの固体撮像装置１または１Ａまたは１Ｂと、この固体撮像装置１または１Ａまたは１Ｂからのカラー画像信号を記録用に所定の信号処理した後にデータ記録可能とする記録メディアなどのメモリ部９１と、この固体撮像装置１または１Ａまたは１Ｂからのカラー画像信号を表示用に所定の信号処理した後に液晶表示画面などの表示画面上に表示可能とする液晶表示装置などの表示部９２と、この固体撮像装置１または１Ａまたは１Ｂからのカラー画像信号を通信用に所定の信号処理をした後に通信処理可能とする送受信装置などの通信部９３と、この固体撮像装置１または１Ａまたは１Ｂからのカラー画像信号を印刷用に所定の印刷信号処理をした後に印刷処理可能とするプリンタなどの画像出力部９４とを有している。なお、この電子情報機器９０または９０Ａまたは９０Ｂとして、これに限らず、固体撮像装置９０または９０Ａまたは９０Ｂの他に、メモリ部９１と、表示部９２と、通信部９３と、プリンタなどの画像出力部９４とのうちの少なくともいずれかを有していてもよい。
【０１１４】
この電子情報機器９０または９０Ａまたは９０Ｂとしては、前述したように例えばデジタルビデオカメラ、デジタルスチルカメラなどのデジタルカメラや、監視カメラ、ドアホンカメラ、車載用後方監視カメラなどの車載用カメラおよびテレビジョン電話用カメラなどの画像入力カメラ、スキャナ装置、ファクシミリ装置、カメラ付き携帯電話装置および携帯端末装置（ＰＤＡ）などの画像入力デバイスを有した電子機器が考えられる。
【０１１５】
したがって、本実施形態４によれば、この固体撮像装置１または１Ａまたは１Ｂからのカラー画像信号に基づいて、これを表示画面上に良好に表示したり、これを紙面にて画像出力部９４により良好にプリントアウト（印刷）したり、これを通信データとして有線または無線にて良好に通信したり、これをメモリ部９１に所定のデータ圧縮処理を行って良好に記憶したり、各種データ処理を良好に行うことができる。
【０１１６】
以上のように、本発明の好ましい実施形態１〜４を用いて本発明を例示してきたが、本発明は、この実施形態１〜４に限定して解釈されるべきものではない。本発明は、特許請求の範囲によってのみその範囲が解釈されるべきであることが理解される。当業者は、本発明の具体的な好ましい実施形態１〜４の記載から、本発明の記載および技術常識に基づいて等価な範囲を実施することができることが理解される。本明細書において引用した特許、特許出願および文献は、その内容自体が具体的に本明細書に記載されているのと同様にその内容が本明細書に対する参考として援用されるべきであることが理解される。
【産業上の利用可能性】
【０１１７】
本発明は、被写体からの画像光を光電変換して撮像する半導体素子およびその上方のフィルタを２次元状に配列した固体撮像装置この固体撮像装置を画像入力デバイスとして撮像部に用いた例えばデジタルビデオカメラおよびデジタルスチルカメラなどのデジタルカメラや、監視カメラなどの画像入力カメラ、スキャナ装置、ファクシミリ装置、テレビジョン電話装置、カメラ付き携帯電話装置などの電子情報機器の分野において、受光面積が大小異なる光電変換素子の配列で受光に関与しない面積の増大および、サイズが大小異なる複雑な光電変換素子形状を回避して、明るさが異なる２枚のカラー画像を位置ずれなくかつ同時に撮像することができる。
【符号の説明】
【０１１８】
１、１Ａ、１Ｂ  固体撮像装置
２  フォトダイオード
３  転送ゲート
４  読出回路
５  リセットゲート
６  ソースフォロアトランジスタ６（増幅トランジスタ）
７  選択ゲート
ａ１〜ｄ１、ａ２〜ｄ２  光電変換素子
ａ〜ｄ  フィルタ（カラーフィルタ）
ＦＤ  浮遊電極（フローティングディフュージョン）
ＳＩＧ  垂直信号線
ＰＶＤＤ  電源線
ＲＳＴ  消去信号線（リセット信号線）
ＳＥＬ  選択信号線
ＴＸＬ１、ＴＸＬ２  転送信号
ＴＸＳ１  転送信号
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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