(57)【要約】【課題】  シェアード構造を採用する撮像素子は、トランジスタを共有するそれぞれの画素が均一に受光できるようにフォトダイオードの二次元形状をなるべく対称にしつつ、各画素領域の一部を寄せ集めた共有領域に当該トランジスタを配置している。このようなシェアード構造を採用しても、フォトダイオード領域の拡張には限界があった。【解決手段】単位画素領域に対して第１フォトダイオード領域を有する第１画素と、第１フォトダイオード領域よりも小さい第２フォトダイオード領域を有する第２画素とを含み、第２画素の単位領域に、少なくとも第１画素の画素信号読み出しに使用する少なくとも一つのトランジスタが設けられた撮像素子を提供する。【選択図】図５
2014107287.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
単位画素領域に対して第１フォトダイオード領域を有する第１画素と、前記第１フォトダイオード領域よりも小さい第２フォトダイオード領域を有する第２画素とを含み、
前記第２画素の前記単位画素領域に、少なくとも前記第１画素の画素信号読み出しに使用する少なくとも一つのトランジスタが設けられた撮像素子。
【請求項２】
画素中心に対して第１方向に偏位した前記第２フォトダイオード領域を有する第１偏位画素と、前記第１方向とは反対の第２方向に偏位した前記第２フォトダイオード領域を有する第２偏位画素の、少なくとも２種類の前記第２画素を有する請求項１に記載の撮像素子。
【請求項３】
前記トランジスタは、前記第２画素の画素信号読み出しにも使用する共通トランジスタを含む請求項１または２に記載の撮像素子。
【請求項４】
前記トランジスタは、複数の前記第１画素と一つの前記第２画素によって形成される画素ブロック内のすべての前記第１画素の画素信号読み出しに使用する請求項１から３のいずれか１項に記載の撮像素子。
【請求項５】
前記第２画素は、前記画素ブロックの中心に対して、少なくとも一つの前記第１画素よりも近くに配置されている請求項４に記載の撮像素子。
【請求項６】
前記第１画素の前記単位画素領域にはトランジスタが設けられていない請求項１から５のいずれか１項に記載の撮像素子。
【請求項７】
前記第１画素の前記単位画素領域には、前記第１画素の画素信号読み出しに使用する転送トランジスタ以外のトランジスタが設けられていない請求項１から５のいずれか１項に記載の撮像素子。
【請求項８】
前記第２画素には、少なくとも一部が前記単位画素領域に含まれるように、前記第１画素には設けられない増幅器が設けられた請求項１から７のいずれか１項に記載の撮像素子。
【請求項９】
前記増幅器は、同一の前記単位画素領域に含まれる前記第２フォトダイオード領域の出力信号を増幅する請求項８に記載の撮像素子。
【請求項１０】
請求項１から９のいずれか１項に記載の撮像素子と、
前記撮像素子からの出力信号を処理する画像処理部と
を備える撮像装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、撮像素子および撮像装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
行列状に複数の画素が配置された撮像素子において、画素データ読み出し用トランジスタの一部などを複数の画素で共用するシェアード構造が知られている。
［先行技術文献］
［特許文献］
［特許文献１］特開２００１−２９８１７７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
シェアード構造を採用する撮像素子は、トランジスタを共有するそれぞれの画素が均一に受光できるようにフォトダイオードの二次元形状をなるべく対称にしつつ、各画素領域の一部を寄せ集めた共有領域に当該トランジスタを配置している。このようなシェアード構造を採用しても、フォトダイオード領域の拡張には限界があった。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
本発明の第１の態様における撮像素子は、単位画素領域に対して第１フォトダイオード領域を有する第１画素と、第１フォトダイオード領域よりも小さい第２フォトダイオード領域を有する第２画素とを含み、第２画素の単位領域に、少なくとも第１画素の画素信号読み出しに使用する少なくとも一つのトランジスタが設けられている。
【０００５】
本発明の第２の態様における撮像装置は、上記の撮像素子と、撮像素子からの出力信号を処理する画像処理部とを備える。
【０００６】
なお、上記の発明の概要は、本発明の必要な特徴の全てを列挙したものではない。また、これらの特徴群のサブコンビネーションもまた、発明となりうる。
【図面の簡単な説明】
【０００７】
【図１】本発明の実施形態に係るデジタルカメラの構成を説明する図である。
【図２】撮像素子の一部を拡大した様子を概念的に表す概念図である。
【図３】一画素の回路構成を示す図である。
【図４】シェアード構造を採用する場合の回路構成を示す図である。
【図５】基本格子のレイアウトを概念的に示す図である。
【図６】他のレイアウトの例を示す図である。
【図７】さらに他のレイアウトの例を示す図である。
【図８】他の基本格子の例と画素ブロックを説明する図である。
【図９】さらに他の基本格子の例を説明する図である。
【図１０】さらに他の基本格子の例を説明する図である。
【図１１】さらに他の基本格子の例を説明する図である。
【図１２】視差なし画素と視差画素の感度差とその調整を説明する図である。
【図１３】増幅器を備えるシェアード構造の回路構成を示す図である。
【図１４】増幅器を備えるレイアウトの例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【０００８】
以下、発明の実施の形態を通じて本発明を説明するが、以下の実施形態は特許請求の範囲にかかる発明を限定するものではない。また、実施形態の中で説明されている特徴の組み合わせの全てが発明の解決手段に必須であるとは限らない。
【０００９】
撮像装置の一形態である本実施形態に係るデジタルカメラは、１つのシーンについて複数の視点数の画像を一度の撮影により生成できるように構成されている。互いに視点の異なるそれぞれの画像を視差画像と呼ぶ。本実施形態においては、特に、右目と左目に対応する２つの視点による右視差画像と左視差画像を生成する場合について説明する。本実施形態におけるデジタルカメラは、中央視点による視差のない視差なし画像も、視差画像と共に生成できる。
【００１０】
図１は、本発明の実施形態に係るデジタルカメラ１０の構成を説明する図である。デジタルカメラ１０は、撮影光学系としての撮影レンズ２０を備え、光軸２１に沿って入射する被写体光束を撮像素子１００へ導く。撮影レンズ２０は、デジタルカメラ１０に対して着脱できる交換式レンズであっても構わない。デジタルカメラ１０は、撮像素子１００、制御部２０１、Ａ／Ｄ変換回路２０２、メモリ２０３、駆動部２０４、画像処理部２０５、メモリカードＩＦ２０７、操作部２０８、表示部２０９およびＬＣＤ駆動回路２１０を備える。
【００１１】
なお、図示するように、撮像素子１００へ向かう光軸２１に平行な方向をＺ軸プラス方向と定め、Ｚ軸と直交する平面において紙面奥へ向かう方向をＸ軸プラス方向、紙面上方向をＹ軸プラス方向と定める。以降のいくつかの図においては、図１の座標軸を基準として、それぞれの図の向きがわかるように座標軸を表示する。
【００１２】
撮影レンズ２０は、複数の光学レンズ群から構成され、シーンからの被写体光束をその焦点面近傍に結像させる。なお、図１では撮影レンズ２０を説明の都合上、瞳近傍に配置された仮想的な１枚のレンズで代表して表している。撮像素子１００は、撮影レンズ２０の焦点面近傍に配置されている。撮像素子１００は、二次元的に複数の光電変換素子が配列された、例えばＣＭＯＳセンサ等のイメージセンサである。撮像素子１００は、駆動部２０４によりタイミング制御されて、受光面上に結像された被写体像を画素信号に変換してＡ／Ｄ変換回路２０２へ出力する。
【００１３】
Ａ／Ｄ変換回路２０２は、撮像素子１００が出力する画素信号をデジタル画像信号に変換してメモリ２０３へ出力する。画像処理部２０５は、メモリ２０３をワークスペースとして種々の画像処理を施し、画像データを生成する。
【００１４】
画像処理部２０５は、他にも、選択された画像フォーマットに従って画像データを調整するなどの画像処理一般の機能も担う。生成された画像データは、ＬＣＤ駆動回路２１０により表示信号に変換され、表示部２０９に表示される。また、メモリカードＩＦ２０７に装着されているメモリカード２２０に記録される。
【００１５】
図２は、撮像素子の一部を拡大した様子を概念的に表す概念図である。画素領域には通常１０万以上もの画素がマトリックス状に配列されている。本実施形態においては、隣接する２画素×２画素の４画素が一つの基本格子１１０を形成する。基本格子１１０は、４画素のうち左上画素と右下画素に緑フィルタ（Ｇフィルタ）、左下画素に赤フィルタ（Ｒフィルタ）、右上画素に青フィルタ（Ｂフィルタ）が配されたベイヤー配列を採用する。このうち、左下画素と右上画素は、視差なし画素であり、左上画素と右下画素は、視差画素である。
【００１６】
視差画素は、撮影レンズ２０を透過する入射光束のうち、光軸から偏位した部分光束を受光する画素である。視差画素には、当該部分光束のみを透過させるように、画素中心から偏位した偏位開口を有する開口マスクが設けられている。開口マスクは、例えば、カラーフィルタに重ねて設けられる。本実施形態においては、開口マスクにより、部分光束が画素中心に対して左側に到達するように規定された視差Ｌｔ画素と、部分光束が画素中心に対して右側に到達するように規定された視差Ｒｔ画素の２種類が存在する。基本格子１１０においては、左上画素が視差Ｌｔ画素であり、右下画素が視差Ｒｔ画素である。本実施形態においては、視差画素は、後述するように、部分光束の入射範囲に合わせてフォトダイオード領域が偏位して形成されている。一方、視差なし画素は、開口マスクが設けられていない画素であり、撮影レンズ２０を透過する入射光束を特にある部分に限らず、全体を受光する画素である。
【００１７】
図３は、シェアード構造を採用しない場合の、一画素の回路構成を示す図である。ここでは、視差なし画素３００として説明するが、視差画素の場合であっても、画素として機能するための回路構成は、視差画素も概ね同様である。相違する点については追って説明する。
【００１８】
図３（ａ）は、視差なし画素３００の回路構成を示す図である。本実施形態における視差なし画素３００は、いわゆる４トランジスタ型画素構造をなす。
【００１９】
フォトダイオード３０１は、転送トランジスタ３０２に接続され、転送トランジスタ３０２のゲートは、転送パルスが供給されるＴＸ配線３０７に接続される。転送トランジスタ３０２のドレインは、リセットトランジスタ３０３のソースに接続される。転送トランジスタ３０２のドレインとリセットトランジスタ３０３のソース間にはフローティングディフュージョン３１１が形成される。フローティングディフュージョン３１１は、増幅トランジスタ３０４のゲートに接続される。
【００２０】
リセットトランジスタ３０３のドレインは、電源電圧が供給されるＶＤＤ配線３０９に接続され、そのゲートはリセットパルスが供給されるリセット配線３０６に接続される。増幅トランジスタ３０４のドレインは電源電圧が供給されるＶＤＤ配線３０９に接続される。また、増幅トランジスタ３０４のソースは、選択トランジスタ３０５のドレインに接続される。選択トランジスタのゲートには、選択パルスが供給されるデコーダ配線３０８に接続される。そして、選択トランジスタ３０５のソースは、出力配線３１０に接続される。
【００２１】
負荷電流源３１２は、出力配線３１０に電流を供給する。すなわち、選択トランジスタ３０５がオンすると、増幅トランジスタのソースが負荷電流源３１２に接続されてソースフォロアとして動作する。なお、負荷電流源３１２は、出力配線３１０を共有する複数の画素に対して共通の要素として設けられる。
【００２２】
ここで、電荷の蓄積開始から蓄積終了後の画素出力までの流れを説明する。リセット配線３０６を通じてリセットパルスがリセットトランジスタ３０３に印加され、同時にＴＸ配線３０７を通じて転送パルスが転送トランジスタ３０２に印加されると、フォトダイオード３０１およびフローティングディフュージョン３１１の電位はリセットされる。
【００２３】
フォトダイオード３０１は、受光する入射光を電荷に変換して蓄積する。フォトダイオードの信号読み出しの前に、リセット配線３０６を通じてリセットパルスがリセットトランジスタ３０３に印加されフローティングディフュージョン３１１がリセットされる。そして、デコーダ配線３０８を通じて選択パルスが選択トランジスタ３０５に印加され、リセット電位が増幅トランジスタ３０４および選択トランジスタ３０５を介して出力配線に伝わり、図示していない後段の回路部でリセット信号として読みだされる。リセット後、リセットパルスは解除され、リセットトランジスタ３０３はオフになる。その後、転送パルスが転送トランジスタ３０２に印加されると、蓄積された電荷はフローティングディフュージョン３１１へ転送され、フローティングディフュージョン３１１の電位は、リセット電位から電荷蓄積後の信号電位になる。再び、デコーダ配線３０８を通じて選択パルスが選択トランジスタ３０５に印加されると、電荷蓄積後の信号電位が出力配線３１０に伝わる。図示していない後段の回路部で電荷蓄積後の信号電位が読み出され、すでに読み出してあるリセット電位との差を取ることで、画素に入射した光信号に対応する画素信号を得る。
【００２４】
図３（ｂ）は、図３（ａ）の回路図を簡略化して模式的に示す図である。互いに同じ要素については、同符号を付して表す。この模式図を用いてシェアード構造の概念について説明する。
【００２５】
図４は、シェアード構造を採用する場合の回路構成を示す図である。図４（ａ）は、第１画素と第２画素の２画素をひとつの画素ブロックとする場合の回路構成を示す。画素ブロックとは、少なくとも一部のトランジスタを共有する複数画素のグループをいう。
【００２６】
第１画素のフォトダイオード３０１ａは、第１転送トランジスタ３０２ａによって電荷蓄積が制御される。第２画素のフォトダイオード３０１ｂは、第２転送トランジスタ３０２ｂによって電荷蓄積が制御される。すなわち、転送トランジスタは、各画素に対応して個別に設けられる。一方、リセットトランジスタ３０３、増幅トランジスタ３０４、選択トランジスタ３０５は、これら２画素に対してひとつ設けられる。すなわち、これらのトランジスタは、第１画素と第２画素が共有する共有配線に接続される。具体的には、第１転送トランジスタ３０２ａのドレインと第２転送トランジスタ３０２ｂのドレインが共有配線に接続され、当該共有配線は、リセットトランジスタ３０３のソースと増幅トランジスタ３０４のゲートに接続される。他の接続は図３を用いて説明した接続と同様である。
【００２７】
図４（ｂ）は、第１画素から第４画素の４画素をひとつの画素ブロックとする場合の回路構成を示す。第１画素のフォトダイオード３０１ａは第１転送トランジスタ３０２ａに、第２画素のフォトダイオード３０１ｂは第２転送トランジスタ３０２ｂに、第３画素のフォトダイオード３０１ｃは第１転送トランジスタ３０２ｃに、第４画素のフォトダイオード３０１ｄは第４転送トランジスタ３０２ｄによって電荷蓄積が制御される。すなわち、転送トランジスタは、各画素に対応して個別に設けられる。
【００２８】
一方、リセットトランジスタ３０３、増幅トランジスタ３０４、選択トランジスタ３０５は、これら４画素に対してひとつ設けられる。すなわち、これらのトランジスタは、第１画素から第４画素が共有する共有配線に接続される。具体的には、第１転送トランジスタ３０２ａ、第２転送トランジスタ３０２ｂ、第３転送トランジスタ３０２ｃ、第４転送トランジスタ３０２ｄの各ドレインが共有配線に接続され、当該共有配線は、リセットトランジスタ３０３のソースと増幅トランジスタ３０４のゲートに接続される。他の接続は図３を用いて説明した接続と同様である。
【００２９】
次に、各トランジスタとフォトダイオード３０１の受光領域との相対的な位置関係について説明する。図５は、基本格子１１０のレイアウトを概念的に示す図である。
【００３０】
基本格子１１０において視差なし画素３００は、上述の通り、Ｂフィルタが配された右上画素と、Ｒフィルタが配された左下画素である。右上画素のフォトダイオード３０１ｂの受光領域は、撮像素子１００の受光面において一画素が占める単位画素領域の中央部に設けられている。同様に、左下画素のフォトダイオード３０１ｄの受光領域も、単位画素領域の中央部に設けられている。図においては、実線で示す正方形が受光領域としてのフォトダイオード領域を表す。
【００３１】
視差Ｌｔ画素６００は、単位画素領域の中央に対して左側に偏位した位置に、フォトダイオード３０１ａの受光領域が設けられている。図においては、実線で示す長方形が受光領域としてのフォトダイオード領域を表す。例えば、単位画素領域に対して、フォトダイオード３０１ｂ（３０１ｄ）のフォトダイオード領域の左半分に相当する領域に、フォトダイオード３０１ａのフォトダイオード領域が設けられている。なお、フォトダイオード３０１ａの機能は、上述のフォトダイオード３０１の機能と同様である。
【００３２】
このようにフォトダイオード領域が設けられると、右半分の領域に余剰スペースが生じる。余剰スペースは、視差なし画素である右上画素に隣接するスペースでもある。そこで、左上画素と右上画素の２画素を画素ブロック１１１とするシェアード構造を採用し、この余剰スペースに、この２画素を駆動する各トランジスタをまとめて配置する。ここで、「画素を駆動する」は、「画素の画素信号読み出す」の意味を含む概念である。
【００３３】
具体的には、フォトダイオード３０１ａに接続される第１転送トランジスタ３０２ａ、フォトダイオード３０１ｂに接続される第２転送トランジスタ３０２ｂ、２画素が共有するリセットトランジスタ３０３、増幅トランジスタ３０４、選択トランジスタ３０５が、この余剰領域に配置される。なお、フォトダイオード領域の周辺部は遮光膜で覆われており、被写体光束がこれらのトランジスタに直接入射することはない。
【００３４】
視差Ｒｔ画素５００は、単位画素領域の中央に対して右側に偏位した位置に、フォトダイオード３０１ｃの受光領域が設けられている。図においては、実線で示す長方形が受光領域としてのフォトダイオード領域を表す。例えば、単位画素領域に対して、フォトダイオード３０１ｂ（３０１ｄ）のフォトダイオード領域の右半分に相当する領域に、フォトダイオード３０１ｃのフォトダイオード領域が設けられている。なお、フォトダイオード３０１ｃの機能は、上述のフォトダイオード３０１の機能と同様である。
【００３５】
このようにフォトダイオード領域が設けられると、左半分の領域に余剰スペースが生じる。余剰スペースは、視差なし画素である左下画素に隣接するスペースでもある。そこで、左下画素と右下画素の２画素を画素ブロック１１２とするシェアード構造を採用し、この余剰スペースに、この２画素を駆動する各トランジスタをまとめて配置する。
【００３６】
具体的には、フォトダイオード３０１ｃに接続される第１転送トランジスタ３０２ｃ、フォトダイオード３０１ｄに接続される第２転送トランジスタ３０２ｄ、２画素が共有するリセットトランジスタ３０３、増幅トランジスタ３０４、選択トランジスタ３０５が、この余剰領域に配置される。なお、フォトダイオード領域の周辺部は遮光膜で覆われており、被写体光束がこれらのトランジスタに直接入射することはない。
【００３７】
このように、シェアード構造における各トランジスタをまとめて余剰スペースに配置することができるので、図５の例における視差なし画素３００の単位画素領域内には、いずれのトランジスタも設けられていない。したがって、その分フォトダイオード３０１ｄの受光領域を拡張することができる。すなわち、開口率を高く設定することができる。開口率を高く設定できれば受光効率が上がるので、撮像素子１００は、より暗い撮影環境下でも良好な画素信号を出力することができる。
【００３８】
なお、図５の例は、カラーフィルタの配列と、視差画素および視差なし画素の配列との組み合わせから形成される周期パターンである基本格子１１０が、２つの画素ブロック１１１、１１２を含む構成であった。基本格子と画素ブロックの関係は、このように基本格子が複数の画素ブロックを含んでも良いし、ひとつの基本格子がひとつの画素ブロックを形成しても良い。あるいは、複数の基本格子がひとつの画素ブロックを形成しても良い。また、隣接する基本格子の一部ずつを含んで画素ブロックを形成しても良い。
【００３９】
図６は、他のレイアウトの例を示す図である。図は、ひとつの画素ブロック１１１を表す。画素ブロック１１１は、視差なし画素３００として、Ｂフィルタが配された右上画素、Ｇフィルタが配された右下画素およびＲフィルタが配された左下画素を含み、視差画素４００としてＧフィルタが配された左上画素を含む。すなわち、画素ブロック１１１は、４画素によるシェアード構造を有する。
【００４０】
視差画素４００は、視差Ｌｔ画素６００であり、単位画素領域の中央に対して左側に偏位した位置に、フォトダイオード３０１ａの受光領域が設けられている。したがって、図５の例と同様に、その単位画素領域の右半分の領域に余剰スペースが生じる。本例においては、フォトダイオード３０１ａに接続される第１転送トランジスタ３０２ａと、４画素が共有するリセットトランジスタ３０３、増幅トランジスタ３０４、選択トランジスタ３０５とが、この余剰領域に配置される。
【００４１】
一方、フォトダイオード３０１ｂに接続される第２転送トランジスタ３０２ｂは、フォトダイオード３０１ｂが配置される右上画素の単位画素領域内に配置される。同様に、フォトダイオード３０１ｃに接続される第３転送トランジスタ３０２ｃは、フォトダイオード３０１ｃが配置される右下画素の単位画素領域内に、フォトダイオード３０１ｄに接続される第４転送トランジスタ３０２ｄは、フォトダイオード３０１ｄが配置される左下画素の単位画素領域内に、それぞれ配置される。
【００４２】
このように、転送トランジスタ３０２をそれぞれの単位画素領域内に配置すると、余剰スペースに配置すべきトランジスタの個数を抑制することができるので、画素ピッチを小さくしつつも、視差画素４００において高い開口率を確保することができる。対応するフォトダイオード３０１ｂ〜３０１ｄと転送トランジスタ３０２ｂ〜３０２ｄの位置関係を、同一に配置しやすい利点がある。なお、それぞれの単位画素領域に転送トランジスタ３０２ｂ〜３０２ｄを配置すべく、図示するように、フォトダイオード３０１ｂ〜３０１ｄの受光領域の形状を正方形とは異なる異形形状としても良い。この場合であっても、フォトダイオード３０１ａの受光領域は、図５の例における左上画素と同様に、長方形を維持することが好ましい。
【００４３】
なお、図６は視差Ｌｔ画素６００を含む画素ブロック１１１を示すが、この画素ブロックと対となる、視差Ｒｔ画素５００を含む画素ブロック１１２も撮像素子１００上に配列されている。例えば、画素ブロック１１２は、視差なし画素３００として、Ｇフィルタが配された左上画素、Ｂフィルタが配された右上画素およびＲフィルタが配された左下画素を含み、視差Ｒｔ画素５００としてＧフィルタが配された右下画素を含む。この場合、右下画素の左半分の領域に余剰スペースが生じるので、４画素に共有されるリセットトランジスタ３０３、増幅トランジスタ３０４、選択トランジスタ３０５等は、この余剰領域に配置される。
【００４４】
図７は、さらに他のレイアウトの例を示す図である。図６の例においては、フォトダイオード３０１ｂ〜３０１ｄの受光領域の形状を異形形状として、それぞれに対応する転送トランジスタ３０２ｂ〜３０２ｄを配置したが、図７の例においては、視差なし画素３００の単位画素領域にトランジスタを配置しない。
【００４５】
すなわち、画素ブロック１１１は、図６の例と同様に４画素によるシェアード構造を有するが、それぞれの転送トランジスタ３０２ａ〜３０２ｄ、および４画素に共有されるリセットトランジスタ３０３、増幅トランジスタ３０４、選択トランジスタ３０５は、すべて視差Ｌｔ画素６００の余剰スペースに配置される。転送トランジスタ３０２ｂ〜３０２ｄは、単位画素領域を跨いで、それぞれフォトダイオード３０１ｂ〜３０１ｄに接続される。
【００４６】
このようにトランジスタを配置すれば、視差なし画素３００のフォトダイオード３０１ｂ〜３０１ｄの受光領域を正方形に保ちつつ開口率を高く設定することができるので、受光光束の対称性の観点からも、ＳＮ比の観点からも好ましい。なお、本例においても、図６の例と同様に、視差Ｒｔ画素５００を含む対となる画素ブロック１１２も撮像素子１００上に配列されている。
【００４７】
図８は、他の基本格子１２０の例と画素ブロック１２１を説明する図である。基本格子１２０は、４画素を基本単位とするベイヤー配列を、Ｙ軸方向に４つ、Ｘ軸方向に４つ含み、６４画素から構成される。基本格子１２０内の画素をＰＩＪで表す。例えば、左上画素はＰ１１であり、右上画素はＰ８１である。図に示すように、視差画素は以下のように配列されている。
Ｐ１１…視差Ｌｔ画素＋Ｇフィルタ（＝Ｇ（Ｌｔ））
Ｐ５１…視差Ｒｔ画素＋Ｇフィルタ（＝Ｇ（Ｒｔ））
Ｐ３２…視差Ｌｔ画素＋Ｂフィルタ（＝Ｂ（Ｌｔ））
Ｐ８３…視差Ｒｔ画素＋Ｒフィルタ（＝Ｒ（Ｒｔ））
Ｐ１５…視差Ｒｔ画素＋Ｇフィルタ（＝Ｇ（Ｒｔ））
Ｐ５５…視差Ｌｔ画素＋Ｇフィルタ（＝Ｇ（Ｌｔ））
Ｐ７６…視差Ｒｔ画素＋Ｂフィルタ（＝Ｂ（Ｒｔ））
Ｐ４７…視差Ｌｔ画素＋Ｒフィルタ（＝Ｒ（Ｌｔ））
【００４８】
他の画素は視差なし画素であり、視差無し画素＋Ｒフィルタ、視差なし画素＋Ｇフィルタ、視差無し画素＋Ｂフィルタのいずれかである。撮像素子１００の全体でみた場合に、視差画素は、Ｇフィルタを有する第１群と、Ｒフィルタを有する第２群と、Ｂフィルタを有する第３群のいずれかに区分され、基本格子１２０には、それぞれの群に属する視差Ｌｔ画素および視差Ｒｔ画素が少なくとも１つは含まれる。図の例のように、これらの視差画素および視差なし画素が、基本格子１２０内においてランダム性を有して配置されると良い。ランダム性を有して配置されることにより、色成分ごとの空間分解能に偏りを生じさせることなく、視差画素の出力としてＲＧＢのカラー情報を取得することができるので、より高品質な視差画像データが得られる。
【００４９】
ここで、基本格子１２０は、Ｙ軸方向に４画素、Ｘ軸方向に２画素の８画素単位で画素ブロック１２１が形成されている。したがって、基本格子１２０は、Ｙ軸方向に２つ、Ｘ軸方向に４つの８画素ブロックを含む。
【００５０】
このように、８画素によるシェアード構造を採用する場合、各画素ブロック１２１は、８画素のうち少なくとも１つの画素を視差画素として含むようにレイアウトされている。ひとつの画素ブロックが、複数の視差なし画素と少なくとも１つの視差画素を含むようにレイアウトされると、当該視差画素の単位画素領域に余剰スペースが生じるので、画素ブロック１２１内の画素信号読み出しに用いるトランジスタを、当該余剰スペースにまとめて配置することができる。なお、図６の例のように、各転送トランジスタ３０２をそれぞれの視差なし画素の単位画素領域に配置しても良い。
【００５１】
図９は、さらに他の基本格子１２０の例を説明する図である。基本格子１２０は、図８の例と同様に６４画素から構成される。図に示すように、視差画素は以下のように配列されている。
Ｐ３２…視差Ｌｔ画素＋Ｂフィルタ（＝Ｂ（Ｌｔ））
Ｐ１３…視差Ｌｔ画素＋Ｇフィルタ（＝Ｇ（Ｌｔ））
Ｐ５３…視差Ｒｔ画素＋Ｇフィルタ（＝Ｇ（Ｒｔ））
Ｐ８３…視差Ｒｔ画素＋Ｒフィルタ（＝Ｒ（Ｒｔ））
Ｐ７６…視差Ｒｔ画素＋Ｂフィルタ（＝Ｂ（Ｒｔ））
Ｐ１７…視差Ｒｔ画素＋Ｇフィルタ（＝Ｇ（Ｒｔ））
Ｐ４７…視差Ｌｔ画素＋Ｒフィルタ（＝Ｒ（Ｌｔ））
Ｐ５７…視差Ｌｔ画素＋Ｇフィルタ（＝Ｇ（Ｌｔ））
【００５２】
他の画素は視差なし画素であり、視差無し画素＋Ｒフィルタ、視差なし画素＋Ｇフィルタ、視差無し画素＋Ｂフィルタのいずれかである。この例においても、視差画素および視差なし画素が、基本格子１２０内においてランダム性を有して配置されている。
【００５３】
本例においても、図８の例と同様に、基本格子１２０は、Ｙ軸方向に４画素、Ｘ軸方向に２画素の８画素単位で画素ブロック１２２が形成されている。したがって、基本格子１２０は、Ｙ軸方向に２つ、Ｘ軸方向に４つの８画素ブロックを含む。
【００５４】
本例においても、８画素によるシェアード構造を採用し、各画素ブロック１２２は、８画素のうち少なくとも１つの画素を視差画素として含むように調整されている。しかも、各画素ブロック１２２において、視差画素は、画素ブロック１２２の中心Ｃに隣接して配置されている。このように、視差画素が、画素ブロック１２２の中心Ｃに対して、少なくとも１つの視差なし画素よりも近くに配置されていると、視差画素の余剰スペースに配置される各トランジスタと各視差なし画素のフォトダイオード３０１との接続配線が短くて済む。接続配線を短くできれば、画素信号の伝送効率の向上が期待できる。なお、図６の例のように、各転送トランジスタ３０２をそれぞれの視差なし画素の単位画素領域に配置しても良い。
【００５５】
図１０は、さらに他の基本格子１２０の例を説明する図である。基本格子１２０は、図８の例と同様に６４画素から構成される。ただし、カラーフィルタの配列は、図８、図９の例のベイヤー配列とは異なり、視差画素の位置に応じて、上下左右の４画素の単位内で、２つのＧフィルタ、一つずつのＢフィルタおよびＲフィルタが適宜入れ替えられて配置されている。図に示すように、視差画素は以下のように配列されている。
Ｐ１１…視差Ｌｔ画素＋Ｇフィルタ（＝Ｇ（Ｌｔ））
Ｐ６１…視差Ｒｔ画素＋Ｇフィルタ（＝Ｇ（Ｒｔ））
Ｐ３２…視差Ｌｔ画素＋Ｂフィルタ（＝Ｂ（Ｌｔ））
Ｐ８２…視差Ｒｔ画素＋Ｂフィルタ（＝Ｂ（Ｒｔ））
Ｐ３３…視差Ｌｔ画素＋Ｒフィルタ（＝Ｒ（Ｌｔ））
Ｐ８３…視差Ｒｔ画素＋Ｒフィルタ（＝Ｒ（Ｒｔ））
Ｐ１４…視差Ｌｔ画素＋Ｇフィルタ（＝Ｇ（Ｌｔ））
Ｐ６４…視差Ｒｔ画素＋Ｇフィルタ（＝Ｇ（Ｒｔ））
Ｐ２５…視差Ｒｔ画素＋Ｇフィルタ（＝Ｇ（Ｒｔ））
Ｐ５５…視差Ｌｔ画素＋Ｇフィルタ（＝Ｇ（Ｌｔ））
Ｐ４６…視差Ｒｔ画素＋Ｂフィルタ（＝Ｂ（Ｒｔ））
Ｐ７６…視差Ｌｔ画素＋Ｂフィルタ（＝Ｂ（Ｌｔ））
Ｐ４７…視差Ｒｔ画素＋Ｒフィルタ（＝Ｒ（Ｒｔ））
Ｐ７７…視差Ｌｔ画素＋Ｒフィルタ（＝Ｒ（Ｌｔ））
Ｐ２８…視差Ｒｔ画素＋Ｇフィルタ（＝Ｇ（Ｒｔ））
Ｐ５８…視差Ｌｔ画素＋Ｇフィルタ（＝Ｇ（Ｌｔ））
【００５６】
他の画素は視差なし画素であり、視差無し画素＋Ｒフィルタ、視差なし画素＋Ｇフィルタ、視差無し画素＋Ｂフィルタのいずれかである。この例においても、視差画素および視差なし画素が、基本格子１２０内においてランダム性を有して配置されている。
【００５７】
ここで、基本格子１２０は、Ｙ軸方向に２画素、Ｘ軸方向に２画素の４画素単位で画素ブロック１２３が形成されている。したがって、基本格子１２０は、Ｙ軸方向に４つ、Ｘ軸方向に４つの１６画素ブロックを含む。
【００５８】
このように、４画素によるシェアード構造を採用する場合、各画素ブロック１２３は、４画素のうち少なくとも１つの画素を視差画素として含むように調整されている。しかも、各画素ブロック１２３において、視差画素のフォトダイオード３０１の受光領域は、画素ブロック１２３の中心Ｃと余剰スペースが隣接するように、中心Ｃよりも外側に偏位して配置されている。このような配置により、余剰スペースに配置される各トランジスタと各視差なし画素のフォトダイオード３０１との接続配線が短くて済む。接続配線を短くできれば、画素信号の伝送効率の向上が期待できる。なお、図６の例のように、各転送トランジスタ３０２をそれぞれの視差なし画素の単位画素領域に配置しても良い。
【００５９】
図１１は、さらに他の基本格子１３０の例を説明する図である。基本格子１３０は、Ｙ軸方向に６画素、Ｘ軸方向に６画素含み、３６画素から構成される。カラーフィルタの配列は、図８、図９の例のベイヤー配列とは異なり、視差画素の位置に応じて、上下左右の４画素の単位内で、２つのＧフィルタ、一つずつのＢフィルタおよびＲフィルタが適宜入れ替えられて配置されている。図に示すように、視差画素は以下のように配列されている。
Ｐ１１…視差Ｌｔ画素＋Ｇフィルタ（＝Ｇ（Ｌｔ））
Ｐ１２…視差Ｒｔ画素＋Ｒフィルタ（＝Ｒ（Ｒｔ））
Ｐ４２…視差Ｌｔ画素＋Ｂフィルタ（＝Ｂ（Ｌｔ））
Ｐ６３…視差Ｒｔ画素＋Ｇフィルタ（＝Ｇ（Ｒｔ））
Ｐ３４…視差Ｌｔ画素＋Ｇフィルタ（＝Ｇ（Ｌｔ））
Ｐ１５…視差Ｒｔ画素＋Ｂフィルタ（＝Ｂ（Ｒｔ））
Ｐ４５…視差Ｌｔ画素＋Ｒフィルタ（＝Ｒ（Ｌｔ））
Ｐ４６…視差Ｒｔ画素＋Ｇフィルタ（＝Ｇ（Ｒｔ））
【００６０】
他の画素は視差なし画素であり、視差無し画素＋Ｒフィルタ、視差なし画素＋Ｇフィルタ、視差無し画素＋Ｂフィルタのいずれかである。この例においても、視差画素および視差なし画素が、基本格子１３０内においてランダム性を有して配置されている。
【００６１】
ここで、基本格子１３０は、Ｙ軸方向に２画素、Ｘ軸方向に３画素の６画素単位で画素ブロック１２４が形成されている。したがって、基本格子１３０は、Ｙ軸方向に３つ、Ｘ軸方向に２つの６画素ブロックを含む。
【００６２】
このように、６画素によるシェアード構造を採用する場合、各画素ブロック１２４は、６画素のうち少なくとも１つの画素を視差画素として含むようにレイアウトされている。ひとつの画素ブロックが、複数の視差なし画素と少なくとも１つの視差画素を含むようにレイアウトされると、当該視差画素の単位画素領域に余剰スペースが生じるので、画素ブロック１２１内の画素信号を読み出すトランジスタを、当該余剰スペースにまとめて配置することができる。なお、図６の例のように、各転送トランジスタ３０２をそれぞれの視差なし画素の単位画素領域に配置しても良い。
【００６３】
上述のように、視差画素４００におけるフォトダイオード３０１は、部分光束の入射範囲に合わせて受光領域が形成されている。したがって、視差画素におけるフォトダイオード３０１は、視差なし画素３００におけるフォトダイオード３０１に比べて受光領域が小さく、同一シーンに対する出力信号は、視差なし画素の出力信号に比べて小さくなる。そこで、視差画素４００に対しては、視差なし画素３００には設けない増幅器を加えて、出力信号の増幅率を高くしても良い。
【００６４】
図１２は、視差なし画素３００と視差画素４００の感度差とその調整を説明する図である。横軸は、撮影レンズ２０を透過する被写体光束全体に対応する単位時間当たりの光入力量を表し、縦軸は、その光入力量に対する信号出力を表す。
【００６５】
視差画素出力ライン９０１は、視差画素４００に増幅器が設けられていない場合の出力信号の挙動を示し、視差なし画素出力ライン９０２は、視差なし画素３００からの出力信号の挙動を示す。撮影レンズ２０を通過する同一被写体からの光束を受光する場合、視差画素４００は、制限された一部分の光束を受光するようにフォトダイオード３０１の受光領域が小さく形成されているので、その信号出力は、視差なし画素３００の信号出力に比べて小さい。つまり、増幅器が設けられていない視差画素４００は、視差なし画素３００よりも感度が低いと言える。
【００６６】
そこで、以下の実施例においては、視差画素４００の単位画素領域に増幅器を設ける。増幅器は、フォトダイオード３０１の受光領域とフォトダイオード３０１の受光領域の大きさの差に起因する感度差を低減するように、信号出力を増幅する。増幅器の増幅率は、例えば、視差画素出力ライン９０１と視差なし画素出力ライン９０２とが一致するように設定される。
【００６７】
また、視差なし画素３００は、設けられているカラーフィルタの種類によっても、感度特性が若干異なる。そこで、例えば視差画素４００に設けられたカラーフィルタがＧフィルタであれば、Ｇフィルタが設けられた視差なし画素の出力特性に合わせて増幅器の増幅率を設定しても良い。すなわち、設けられたカラーフィルタの種類によって増幅器の増幅率を設定しても良い。
【００６８】
図１３は、増幅器８０２を備えるシェアード構造の回路構成を示す図である。具体的には、図４（ａ）を用いて説明した２画素のシェアード構造に、増幅器８０２を組み込んだ回路構成を示す。
【００６９】
増幅器８０２は、選択トランジスタ３０５と出力配線３１０の間に組み込まれる。ただし、本実施形態のシェアード構造においては、画素ブロック内に視差なし画素３００と視差画素４００とが混在するので、視差画素４００からの信号出力のみを増幅するように、スイッチ８０１が設けられている。選択トランジスタ３０５からの出力信号が、視差なし画素３００からの信号出力であれば、スイッチ８０１は増幅器８０２側をオフにして、出力配線３１０への短絡線８０３側をオンにする。
【００７０】
スイッチ８０１は、転送トランジスタ３０２に連動して動作する。すなわち、視差なし画素３００に対する転送トランジスタ３０２が動作するときには、スイッチ８０１は、短絡線８０３側をオンにし、視差画素４００に対する転送トランジスタ３０２が動作するときには、スイッチ８０１は、増幅器８０２側をオンにする。
【００７１】
図１４は、増幅器８０２を備えるレイアウトの例を示す図である。図示するように、図６のレイアウト例に対して、余剰スペースにスイッチ８０１と増幅器８０２とが追加的に配置されている。もちろん余剰スペースとの兼ね合いにより、上述の他のレイアウト例にも適用できる。
【００７２】
なお、増幅器８０２は、視差画素４００の信号出力を増幅するので、視差なし画素３００の単位画素領域には配置されないことが好ましい。一方、図１４の例によれば、増幅器８０２は、視差画素４００の単位画素領域内に収まるように配置されたが、少なくともその一部が当該単位画素領域内に配置されれば良い。例えば、隣接する２つの視差画素４００においてそれぞれの余剰スペースが隣接すれば、増幅器８０２を２つの単位画素領域に跨いで配置することができる。増幅器８０２の構成は任意であり、例えば前段の増幅トランジスタ３０４をソースフォロア動作させるための負荷電流源、増幅機能を担う増幅トランジスタ、増幅率を決める容量結合部等を有する構成が考えられる。
【００７３】
以上、本発明を実施の形態を用いて説明したが、本発明の技術的範囲は上記実施の形態に記載の範囲には限定されない。上記実施の形態に、多様な変更または改良を加えることが可能であることが当業者に明らかである。その様な変更または改良を加えた形態も本発明の技術的範囲に含まれ得ることが、特許請求の範囲の記載から明らかである。
【００７４】
特許請求の範囲、明細書、および図面中において示した装置、システム、プログラム、および方法における動作、手順、ステップ、および段階等の各処理の実行順序は、特段「より前に」、「先立って」等と明示しておらず、また、前の処理の出力を後の処理で用いるのでない限り、任意の順序で実現しうることに留意すべきである。特許請求の範囲、明細書、および図面中の動作フローに関して、便宜上「まず、」、「次に、」等を用いて説明したとしても、この順で実施することが必須であることを意味するものではない。
【符号の説明】
【００７５】
１０  デジタルカメラ、２０  撮影レンズ、２１  光軸、１００  撮像素子、１１０、１２０、１３０  基本格子、１１１、１１２、１２１、１２２、１２３、１２４  画素ブロック、２０１  制御部、２０２  Ａ／Ｄ変換回路、２０３  メモリ、２０４  駆動部、２０５  画像処理部、２０７  メモリカードＩＦ、２０８  操作部、２０９  表示部、２１０  ＬＣＤ駆動回路、３００  視差なし画素、３０１  フォトダイオード、３０２  転送トランジスタ、３０３  リセットトランジスタ、３０４  増幅トランジスタ、３０５  選択トランジスタ、３０６  リセット配線、３０７  ＴＸ配線、３０８  デコーダ配線、３０９  ＶＤＤ配線、３１０  出力配線、３１１  フローティングディフュージョン、３１２  負荷電流源、４００  視差画素、５００  視差Ｒｔ画素、６００  視差Ｌｔ画素、８０１  スイッチ、８０２  増幅器、８０３  短絡線、９０１  視差画素出力ライン、９０２  視差なし画素出力ライン
【図１】
2014107287.tif 000003
【図２】
2014107287.tif 000004
【図３】
2014107287.tif 000005
【図４】
2014107287.tif 000006
【図５】
2014107287.tif 000007
【図６】
2014107287.tif 000008
【図７】
2014107287.tif 000009
【図８】
2014107287.tif 000010
【図９】
2014107287.tif 000011
【図１０】
2014107287.tif 000012
【図１１】
2014107287.tif 000013
【図１２】
2014107287.tif 000014
【図１３】
2014107287.tif 000015
【図１４】
2014107287.tif 000016