(57)【要約】  本技術は、画質の低下を抑制しつつ、ダイナミックレンジを拡大することができるようにする固体撮像素子及び電子機器に関する。固体撮像素子は、画素信号の出力単位に基づく画素である出力画素のうち少なくとも１色の前記出力画素が３種類以上の大きさを有し、複数の色の前記出力画素が所定のパターンに従って配置された基本パターン画素群が並べられている画素部と、同じ色で大きさが異なる複数の前記出力画素からの複数の画素信号の合成処理を行う信号処理部とを備える。本技術は、例えば、ＣＭＯＳイメージセンサに適用することができる。
2017051722.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
画素信号の出力単位に基づく画素である出力画素のうち少なくとも１色の前記出力画素が３種類以上の大きさを有し、複数の色の前記出力画素が所定のパターンに従って配置された基本パターン画素群が並べられている画素部と、
同じ色で大きさが異なる複数の前記出力画素からの複数の画素信号の合成処理を行う信号処理部と
を備える固体撮像素子。
【請求項２】
各色の前記出力画素が、それぞれ２種類以上の大きさを有し、
前記パターン内において、複数の第１の出力画素からなる第１の画素群の色配列と、前記第１の出力画素と大きさが異なる複数の第２の出力画素からなる第２の画素群の色配列とが異なる
請求項１に記載の固体撮像素子。
【請求項３】
前記第１の画素群が前記第２の画素群の周囲を囲んでいる
請求項２に記載の固体撮像素子。
【請求項４】
前記第１の出力画素のうち少なくとも１つが、１つの前記第２の出力画素の周囲を囲んでいる
請求項２に記載の固体撮像素子。
【請求項５】
各色の前記出力画素が、それぞれ３種類以上の大きさを有し、
前記パターン内において、複数の第１の出力画素からなる第１の画素群が、前記第１の出力画素と大きさが異なる複数の第２の出力画素からなる第２の画素群の周囲を囲み、前記第２の画素群が、前記第２の出力画素と大きさが異なる複数の第３の出力画素からなる第３の画素群の周囲を囲んでいる
請求項１に記載の固体撮像素子。
【請求項６】
各前記出力画素は、同じ大きさの受光素子をそれぞれ備える１つ以上の単位画素により構成される
請求項１に記載の固体撮像素子。
【請求項７】
最も小さな前記出力画素は、１つの前記単位画素により構成され、それ以外の大きさの画素は、複数の前記単位画素により構成される
請求項６に記載の固体撮像素子。
【請求項８】
各前記出力画素は、配線により前記単位画素を組み合わせることにより形成される
請求項６に記載の固体撮像素子。
【請求項９】
前記信号処理部は、同じ色で大きさが３種類以上の複数の前記出力画素からの複数の画素信号を合成する場合、入射光量に応じて前記複数の画素信号のうち１つを選択して出力するとともに、大きさが２番目以降の前記出力画素の画素信号に所定の係数を乗じて出力する
請求項１に記載の固体撮像素子。
【請求項１０】
前記信号処理部は、同じ色で大きさが３種類以上の複数の前記出力画素からの複数の画素信号を合成する場合、入射光量に応じて前記複数の画素信号のうち２つを選択し、選択した画素信号を所定の比率で合成した信号を出力する
請求項１に記載の固体撮像素子。
【請求項１１】
固体撮像素子と、
前記固体撮像素子から出力される信号を処理する第１の信号処理部と
を備え、
前記固体撮像素子は、
画素信号の出力単位に基づく画素である出力画素のうち少なくとも１色の前記出力画素が３種類以上の大きさを有し、複数の色の前記出力画素が所定のパターンに従って配置された基本パターン画素群が並べられている画素部と、
同じ色で大きさが異なる複数の前記出力画素からの複数の画素信号の合成処理を行う第２の信号処理部と
を備える電子機器。
【請求項１２】
画素信号の出力単位に基づく画素である出力画素が色毎にそれぞれ２種類以上の大きさを有し、複数の色の前記出力画素が所定のパターンに従って配置された基本パターン画素群が並べられるとともに、前記パターン内において、複数の第１の出力画素からなる第１の画素群の色配列と、前記第１の出力画素と大きさが異なる複数の第２の出力画素からなる第２の画素群の色配列とが異なる画素部と、
同じ色で大きさが異なる複数の前記出力画素からの複数の画素信号の合成処理を行う信号処理部と
を備える固体撮像素子。
【請求項１３】
前記第１の画素群が前記第２の画素群の周囲を囲んでいる
請求項１２に記載の固体撮像素子。
【請求項１４】
前記第１の出力画素のうち少なくとも１つが、１つの前記第２の出力画素の周囲を囲んでいる
請求項１２に記載の固体撮像素子。
【請求項１５】
各前記出力画素は、同じ大きさの受光素子をそれぞれ備える１つ以上の単位画素により構成される
請求項１２に記載の固体撮像素子。
【請求項１６】
最も小さな前記出力画素は、１つの前記単位画素により構成され、それ以外の大きさの画素は、複数の前記単位画素により構成される
請求項１５に記載の固体撮像素子。
【請求項１７】
各前記出力画素は、配線により前記単位画素を組み合わせることにより形成される
請求項１５に記載の固体撮像素子。
【請求項１８】
固体撮像素子と、
前記固体撮像素子から出力される信号を処理する第１の信号処理部と
を備え、
前記固体撮像素子は、
画素信号の出力単位に基づく画素である出力画素が色毎にそれぞれ２種類以上の大きさを有し、複数の色の前記出力画素が所定のパターンに従って配置された基本パターン画素群が並べられるとともに、前記パターン内において、複数の第１の出力画素からなる第１の画素群の色配列と、前記第１の出力画素と大きさが異なる複数の第２の出力画素からなる第２の画素群の色配列とが異なる画素部と、
同じ色で大きさが異なる複数の前記出力画素からの複数の画素信号の合成処理を行う第２の信号処理部と
を備える電子機器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本技術は、固体撮像素子及び電子機器に関し、特に、画質の低下を抑制しつつ、ダイナミックレンジを拡大できるようにした固体撮像素子及び電子機器に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、ベイヤ配列を採用した固体撮像素子において、緑のカラーフィルタが配置された２つの画素の受光素子の大きさに差をつけ、感度が異なる２つの画素の画素信号を入射光量に応じて使い分けることでダイナミックレンジを拡大する技術が提案されている（例えば、特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開平１０−１８９９３０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかし、特許文献１に記載された技術では、２つの画素の感度が大きく異なるため、使用する画素信号を切り替える入射光量付近において、空間方向及び時間方向に色や明るさが不自然に変化する現象が発生する恐れがある。【０００５】
また、ベイヤ配列を採用した固体撮像素子では、各画素において、検出対象となる色以外の色情報を周囲の画素の色情報を用いて補間するため、偽色が発生する恐れがある。【０００６】
本技術は、このような状況に鑑みてなされたものであり、画質の低下を抑制しつつ、ダイナミックレンジを拡大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】
【０００７】
本技術の第１の側面の固体撮像素子は、画素信号の出力単位に基づく画素である出力画素のうち少なくとも１色の前記出力画素が３種類以上の大きさを有し、複数の色の前記出力画素が所定のパターンに従って配置された基本パターン画素群が並べられている画素部と、同じ色で大きさが異なる複数の前記出力画素からの複数の画素信号の合成処理を行う信号処理部とを備える。【０００８】
各色の前記出力画素が、それぞれ２種類以上の大きさを有するようにし、前記パターン内において、複数の第１の出力画素からなる第１の画素群の色配列と、前記第１の出力画素と大きさが異なる複数の第２の出力画素からなる第２の画素群の色配列とを異ならせることができる。【０００９】
前記第１の画素群に前記第２の画素群の周囲を囲ませることができる。【００１０】
前記第１の出力画素のうち少なくとも１つに、１つの前記第２の出力画素の周囲を囲ませることができる。【００１１】
各色の前記出力画素が、それぞれ３種類以上の大きさを有するようにし、前記パターン内において、複数の第１の出力画素からなる第１の画素群に、前記第１の出力画素と大きさが異なる複数の第２の出力画素からなる第２の画素群の周囲を囲ませ、前記第２の画素群に、前記第２の出力画素と大きさが異なる複数の第３の出力画素からなる第３の画素群の周囲を囲ませることができる。【００１２】
各前記出力画素を、同じ大きさの受光素子をそれぞれ備える１つ以上の単位画素により構成することができる。【００１３】
最も小さな前記出力画素を、１つの前記単位画素により構成し、それ以外の大きさの画素を、複数の前記単位画素により構成することができる。【００１４】
各前記出力画素を、配線により前記単位画素を組み合わせることにより形成することができる。【００１５】
前記信号処理部に、同じ色で大きさが３種類以上の複数の前記出力画素からの複数の画素信号を合成する場合、入射光量に応じて前記複数の画素信号のうち１つを選択して出力させるとともに、大きさが２番目以降の前記出力画素の画素信号に所定の係数を乗じて出力させることができる。【００１６】
前記信号処理部に、同じ色で大きさが３種類以上の複数の前記出力画素からの複数の画素信号を合成する場合、入射光量に応じて前記複数の画素信号のうち２つを選択し、選択した画素信号を所定の比率で合成した信号を出力させることができる。【００１７】
本技術の第２の側面の電子機器は、固体撮像素子と、前記固体撮像素子から出力される信号を処理する第１の信号処理部とを備え、前記固体撮像素子は、画素信号の出力単位に基づく画素である出力画素のうち少なくとも１色の前記出力画素が３種類以上の大きさを有し、複数の色の前記出力画素が所定のパターンに従って配置された基本パターン画素群が並べられている画素部と、同じ色で大きさが異なる複数の前記出力画素からの複数の画素信号の合成処理を行う第２の信号処理部とを備える。【００１８】
本技術の第３の側面の固体撮像素子は、画素信号の出力単位に基づく画素である出力画素が色毎にそれぞれ２種類以上の大きさを有し、複数の色の前記出力画素が所定のパターンに従って配置された基本パターン画素群が並べられるとともに、前記パターン内において、複数の第１の出力画素からなる第１の画素群の色配列と、前記第１の出力画素と大きさが異なる複数の第２の出力画素からなる第２の画素群の色配列とが異なる画素部と、同じ色で大きさが異なる複数の前記出力画素からの複数の画素信号の合成処理を行う信号処理部とを備える。【００１９】
前記第１の画素群に前記第２の画素群の周囲を囲ませることができる。【００２０】
前記第１の出力画素のうち少なくとも１つに、１つの前記第２の出力画素の周囲を囲ませることができる。【００２１】
各前記出力画素を、同じ大きさの受光素子をそれぞれ備える１つ以上の単位画素により構成することができる。【００２２】
最も小さな前記出力画素を、１つの前記単位画素により構成し、それ以外の大きさの画素を、複数の前記単位画素により構成することができる。【００２３】
各前記出力画素を、配線により前記単位画素を組み合わせることにより形成することができる。【００２４】
本技術の第４の側面の電子機器は、固体撮像素子と、前記固体撮像素子から出力される信号を処理する第１の信号処理部とを備え、前記固体撮像素子は、画素信号の出力単位に基づく画素である出力画素が色毎にそれぞれ２種類以上の大きさを有し、複数の色の前記出力画素が所定のパターンに従って配置された基本パターン画素群が並べられるとともに、前記パターン内において、複数の第１の出力画素からなる第１の画素群の色配列と、前記第１の出力画素と大きさが異なる複数の第２の出力画素からなる第２の画素群の色配列とが異なる画素部と、同じ色で大きさが異なる複数の前記出力画素からの複数の画素信号の合成処理を行う第２の信号処理部とを備える。【００２５】
本技術の第１の側面においては、画素信号の出力単位に基づく画素である出力画素のうち少なくとも１色の前記出力画素が３種類以上の大きさを有し、複数の色の前記出力画素が所定のパターンに従って配置された基本パターン画素群が並べられている画素部の、同じ色で大きさが異なる複数の前記出力画素からの複数の画素信号の合成処理が行われる。【００２６】
本技術の第２の側面においては、画素信号の出力単位に基づく画素である出力画素のうち少なくとも１色の前記出力画素が３種類以上の大きさを有し、複数の色の前記出力画素が所定のパターンに従って配置された基本パターン画素群が並べられている画素部の、同じ色で大きさが異なる複数の前記出力画素からの複数の画素信号の合成処理が行われ、合成処理後の信号の処理が行われる。【００２７】
本技術の第３の側面においては、画素信号の出力単位に基づく画素である出力画素が色毎にそれぞれ２種類以上の大きさを有し、複数の色の前記出力画素が所定のパターンに従って配置された基本パターン画素群が並べられるとともに、前記パターン内において、複数の第１の出力画素からなる第１の画素群の色配列と、前記第１の出力画素と大きさが異なる複数の第２の出力画素からなる第２の画素群の色配列とが異なる画素部の、同じ色で大きさが異なる複数の前記出力画素からの複数の画素信号の合成処理が行われる。【００２８】
本技術の第４の側面においては、画素信号の出力単位に基づく画素である出力画素が色毎にそれぞれ２種類以上の大きさを有し、複数の色の前記出力画素が所定のパターンに従って配置された基本パターン画素群が並べられるとともに、前記パターン内において、複数の第１の出力画素からなる第１の画素群の色配列と、前記第１の出力画素と大きさが異なる複数の第２の出力画素からなる第２の画素群の色配列とが異なる画素部の、同じ色で大きさが異なる複数の前記出力画素からの複数の画素信号の合成処理が行われ、合成処理後の信号の処理が行われる。
【発明の効果】
【００２９】
本技術の第１乃至第４の側面によれば、画質の低下を抑制しつつ、ダイナミックレンジを拡大することができる。【００３０】
なお、本明細書に記載された効果は、あくまで例示であり、本技術の効果は、本明細書に記載された効果に限定されるものではなく、付加的な効果があってもよい。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】本技術を適用した固体撮像素子の構成例を示すブロック図である。
【図２】基本パターン画素群の構成例を示す図である。
【図３】同色画素群の構成例を示す回路図である。
【図４】基本パターンの第１の例を示す図である。
【図５】基本パターンの第２の例を示す図である。
【図６】基本パターンの第３の例を示す図である。
【図７】基本パターンの第４の例を示す図である。
【図８】基本パターンの第５の例を示す図である。
【図９】基本パターンの第６の例を示す図である。
【図１０】基本パターンの第７の例を示す図である。
【図１１】基本パターンの第８の例を示す図である。
【図１２】基本パターンの第９の例を示す図である。
【図１３】基本パターンの第１０の例を示す図である。
【図１４】基本パターンの第１１の例を示す図である。
【図１５】基本パターンの第１２の例を示す図である。
【図１６】基本パターンの第１３の例を示す図である。
【図１７】基本パターンの第１４の例を示す図である。
【図１８】基本パターンの第１５の例を示す図である。
【図１９】基本パターンの第１６の例を示す図である。
【図２０】基本パターンの第１７の例を示す図である。
【図２１】基本パターンの第１８の例を示す図である。
【図２２】画素信号の特性の第１の例を模式的に示すグラフである。
【図２３】合成信号の特性の第１の例を模式的に示すグラフである。
【図２４】画素信号の特性の第２の例を模式的に示すグラフである。
【図２５】合成信号の特性の第２の例を模式的に示すグラフである。
【図２６】固体撮像素子の使用例を示す図である。
【図２７】本技術を適用した電子機器の構成例を示すブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【００３２】
以下、本技術を実施するための形態（以下実施の形態とする）について説明する。なお、説明は以下の順序で行う。
１．実施の形態
２．変形例
３．固体撮像素子の使用例
【００３３】
＜１．実施の形態＞
｛基本的なシステム構成｝
図１は、本技術を適用した固体撮像素子の一実施の形態を示すブロック図である。図１の固体撮像素子１０は、例えばＸ−Ｙアドレス方式固体撮像素子の一種であるＣＭＯＳイメージセンサにより構成される。
【００３４】
固体撮像素子１０は、画素部１１、垂直走査回路１２、カラム処理部１３、水平転送回路１４、ロジック部１５、アンプ回路１６、及び、信号処理部１７を含むように構成される。
【００３５】
画素部１１には、基本パターン画素群ｇｐが２次元（Ｍ行×Ｎ列）に並べられている。ここで、基本パターン画素群ｇｐとは、図２等に示される基本パターンを形成する画素群のことである。また、画素部１１には、基本パターン画素群ｇｐを基準とする行（以下、基本パターン行と称する）毎に、行信号線としての画素駆動線１８−１乃至１８−Ｍが行方向に沿って配線されている。さらに、画素部１１には、基本パターン画素群ｇｐを基準とする列（以下、基本パターン列と称する）毎に、列信号線としての垂直信号線１９−１乃至１９−Ｎが列方向に沿って配線されている。
【００３６】
なお、以下、基本パターン行及び基本パターン列を、それぞれ単に行及び列と称する場合がある。また、以下、基本パターン画素群ｇｐを個々に区別する必要がある場合、基本パターン画素群ｇｐ（ｍ，ｎ）のように、基本パターン画素群ｇｐの座標を示すことにより区別する。
【００３７】
画素駆動線１８−１乃至１８−Ｍは、各基本パターン画素群ｇｐの画素信号の読み出し処理を行うための駆動信号を伝送する。なお、図１では、画素駆動線１８−１乃至１８−Ｍを１本の配線として示しているが、実際には複数の配線により構成される。
【００３８】
なお、以下、画素駆動線１８−１乃至１８−Ｍ及び垂直信号線１９−１乃至１９−Ｎをそれぞれ個々に区別する必要がない場合、それぞれ単に画素駆動線１８及び垂直信号線１９と称する。
【００３９】
ここで、図２を参照して、基本パターン画素群ｇｐの構成例について説明する。なお、図２には、基本パターン画素群ｇｐ（１,１）乃至ｇｐ（２，２）が図示されている。
【００４０】
基本パターン画素群ｇｐには、複数の大きさの出力画素が所定の基本パターンに従って配置されている。
【００４１】
ここで、出力画素とは、画素信号の出力単位に基づく画素である。より具体的には、出力画素とは、画素部１１からカラム処理部１３に画素信号を出力する単位を基準に分けた場合の画素である。従って、各出力画素は、それぞれ個別に画素信号を出力し、出力された画素信号が画素部１１からカラム処理部１３に供給される。
【００４２】
また、出力画素は、１つ以上の単位画素により構成される。ここで、単位画素とは、受光素子（例えば、フォトダイオード）を基準にして分けた場合の画素である。従って、各単位画素は、それぞれ１つの受光素子を備える。
【００４３】
図２には、各基本パターン画素群ｇｐが、出力画素Ｒ１乃至Ｒ３、出力画素Ｇ１ａ乃至Ｇ３ａ、出力画素Ｇ１ｂ乃至Ｇ３ｂ、及び、出力画素Ｂ１乃至Ｂ３の出力画素を含む例が示されている。出力画素Ｒ１乃至Ｒ３は、赤色（Ｒ）のカラーフィルタが設けられ、入射光に含まれる赤色付近の波長帯の成分を検出する。出力画素Ｇ１ａ乃至Ｇ３ａ及び出力画素Ｇ１ｂ乃至Ｇ３ｂは、緑色（Ｇ）のカラーフィルタが設けられ、入射光に含まれる緑色付近の波長帯の成分を検出する。出力画素Ｂ１乃至Ｂ３は、青色（Ｂ）のカラーフィルタが設けられ、入射光に含まれる青色付近の波長帯の成分を検出する。
【００４４】
また、図内の点線で区切られたマスは、最小画素単位を示している。最小画素単位とは、単位画素を構成することが可能な最小単位である。例えば、最小画素単位毎に同じ大きさの受光素子を１つずつ設けるようにしてもよいし、複数の最小画素単位に対して１つの受光素子を設けるようにしてもよい。
【００４５】
例えば、最小画素単位毎に同じ大きさの受光素子を１つずつ設けた場合、単位画素の受光面積は、最小画素単位とほぼ等しくなる。この場合、例えば、図２の例において、出力画素Ｒ１は１２個の単位画素により構成され、出力画素Ｒ２は３個の単位画素により構成され、最も小さな出力画素Ｒ３は１個の単位画素により構成される。
【００４６】
また、例えば、各出力画素をそれぞれ１つの単位画素により構成するようにしてもよい。この場合、例えば、図２の例において、出力画素Ｒ１を構成する単位画素の受光面積は、最小画素単位１２個分とほぼ等しくなる。出力画素Ｒ２を構成する単位画素の受光面積は、最小画素単位３個分とほぼ等しくなる。出力画素Ｒ３を構成する単位画素の受光面積は、最小画素単位１個分とほぼ等しくなる。
【００４７】
なお、以下、基本パターン画素群ｇｐに含まれる同色の出力画素からなる画素群を同色画素群と称する。例えば、図２の基本パターン画素群ｇｐは、出力画素Ｒ１乃至Ｒ３からなる同色画素群、出力画素Ｇ１ａ乃至Ｇ３ａからなる同色画素群、出力画素Ｇ１ｂ乃至Ｇ３ｂからなる同色画素群、及び、出力画素Ｂ１乃至Ｂ３からなる同色画素群を含む。なお、出力画素Ｇ１ａ乃至Ｇ３ａからなる同色画素群と、出力画素Ｇ１ｂ乃至Ｇ３ｂからなる同色画素群とは、同じ色の画素群であるが、処理単位により２つに分けている。
【００４８】
図３は、図２の基本パターン画素群ｇｐの各同色画素群を構成する回路の構成例を示している。この例では、同色画素群に含まれる各出力画素が、それぞれ１つの受光素子としてのフォトダイオードを備える例を示している。すなわち、同色画素群に含まれる各出力画素が、それぞれ１つの単位画素により構成される例を示している。
【００４９】
図３の同色画素群１００は、３つのフォトダイオード１０１−１乃至１０１−３に対して、３つの転送素子としての転送トランジスタ１０２−１乃至１０２−３、１つのリセット素子としてのリセットトランジスタ１０３、１つの増幅トランジスタ１０５、及び、１つの選択トランジスタ１０６の６つのトランジスタを能動素子として有する。そして、同色画素群１００は、３組のフォトダイオードと転送トランジスタが、１つのフローティングディフュージョン（ＦＤ）１０４、増幅トランジスタ１０５、及び、選択トランジスタ１０６を共有する共有画素構造を有している。
【００５０】
例えば、同色画素群１００を図２の出力画素Ｒ１乃至Ｒ３からなる同色画素群に適用する場合、出力画素Ｒ１は、フォトダイオード１０１−１及び転送トランジスタ１０２−１を含み、出力画素Ｒ２は、フォトダイオード１０１−２及び転送トランジスタ１０２−２を含み、出力画素Ｒ３は、フォトダイオード１０１−３及び転送トランジスタ１０２−３を含む。また、ＦＤ１０４、増幅トランジスタ１０５、及び、選択トランジスタ１０６は、出力画素Ｒ１乃至Ｒ３間で共有される。
【００５１】
フォトダイオード１０１−１乃至１０１−３は、それぞれ入射光をその光量に応じた量の電荷に光電変換する。例えば、フォトダイオード１０１−１乃至１０１−３が出力画素Ｒ１乃至Ｒ３にそれぞれ含まれる場合、フォトダイオード１０１−１の受光面積が最も大きく、フォトダイオード１０１−２の受光面積が２番目に大きく、フォトダイオード１０１−３の受光面積が最も小さくなる。
【００５２】
転送トランジスタ１０２−１乃至１０２−３は、それぞれフォトダイオード１０１−１乃至１０１−３と出力ノードとしてのＦＤ１０４との間に接続されている。
【００５３】
転送トランジスタ１０２−１は、垂直走査回路１２から転送制御線を介して転送信号ＴＲＧ１がゲートに与えられると（転送信号ＴＲＧ１がオンすると）、オンする。転送トランジスタ１０２−１がオンすると、転送トランジスタ１０２−１を介して、フォトダイオード１０１−１で光電変換された電子がＦＤ１０４に転送される。
【００５４】
転送トランジスタ１０２−２は、垂直走査回路１２から転送制御線を介して転送信号ＴＲＧ２がゲートに与えられると（転送信号ＴＲＧ２がオンすると）、オンする。転送トランジスタ１０２−２がオンすると、転送トランジスタ１０２−２を介して、フォトダイオード１０１−２で光電変換された電子がＦＤ１０４に転送される。
【００５５】
転送トランジスタ１０２−３は、垂直走査回路１２から転送制御線を介して転送信号ＴＲＧ３がゲートに与えられると（転送信号ＴＲＧ３がオンすると）、オンする。転送トランジスタ１０２−３がオンすると、転送トランジスタ１０２−３を介して、フォトダイオード１０１−３で光電変換された電子がＦＤ１０４に転送される。
【００５６】
リセットトランジスタ１０３は、電源ラインとＦＤ１０４との間に接続されている。リセットトランジスタ１０３は、垂直走査回路１２からリセット制御線を介してリセット信号ＲＳＴがゲートに与えられると（リセット信号ＲＳＴがオンすると）、オンする。リセットトランジスタ１０３がオンすると、ＦＤ１０４の電位が電源ラインの電位にリセットされる。
【００５７】
ＦＤ１０４は、増幅トランジスタ１０５のゲートに接続されている。増幅トランジスタ１０５は、選択トランジスタ１０６を介して垂直信号線１９に接続され、画素部１１の外の電流源４３と電流源回路を構成する。選択トランジスタ１０６は、垂直走査回路１２から選択制御線を介して制御信号ＳＥＬがゲートに与えられると（制御信号ＳＥＬがオンすると）、オンする。選択トランジスタ１０６がオンすると、増幅トランジスタ１０５は、ＦＤ１０４の電位を増幅し、その電位に応じた画素信号を垂直信号線１９に出力する。各同色画素群１００から出力された画素信号は、垂直信号線１９を介して、画素信号読み出し部としてのカラム処理部１３に供給される。
【００５８】
これらの動作は、例えば、転送トランジスタ１０２−１乃至１０２−３、リセットトランジスタ１０３、及び、選択トランジスタ１０６の各ゲートが行単位で接続されることにより、１行分の基本パターン画素群ｇｐの同じ色の同色画素群１００について同時に行われる。
【００５９】
ただし、転送トランジスタ１０２−１乃至１０２−３は、個別にオンされる。例えば、同色画素群１００が、図２の出力画素Ｒ１乃至Ｒ３からなる同色画素群に適用され、出力画素Ｒ１乃至Ｒ３が、それぞれフォトダイオード１０１−１乃至１０１−３を含む場合、転送トランジスタ１０２−１がオンすると、フォトダイオード１０１−１の受光量に応じた出力画素Ｒ１の画素信号が、垂直信号線１９に出力される。転送トランジスタ１０２−２がオンすると、フォトダイオード１０１−２の受光量に応じた出力画素Ｒ２の画素信号が、垂直信号線１９に出力される。転送トランジスタ１０２−３がオンすると、フォトダイオード１０１−３の受光量に応じた出力画素Ｒ３の画素信号が、垂直信号線１９に出力される。
【００６０】
また、図３の同色画素群１００に対する画素駆動線１８には、３本の転送制御線、リセット制御線、及び、選択制御線が含まれる。例えば、図２の基本パターン画素群ｇｐに対して図３の同色画素群１００を適用した場合、１つの基本パターン画素群ｇｐは４つの同色画素群１００を含む。従って、この場合、１行分の画素駆動線１８には、例えば、１２本の転送制御線、４本のリセット制御線、及び、４本の選択制御線が含まれる。
【００６１】
なお、図３の回路構成はその一例であり、他の回路構成を採用することも可能である。
【００６２】
例えば、図３では、基本パターン画素群に含まれる同色画素群が１つの共有画素により構成される例を示したが、同色画素群に含まれる各出力画素をそれぞれ独立した画素により構成するようにしてもよい。
【００６３】
また、例えば、図３では、各出力画素が１つのフォトダイオードを備える例を示したが、１つの出力画素に複数のフォトダイオードを設けるようにしてもよい。例えば、上述したように、最小画素単位毎に同じ大きさの受光素子を１つずつ設けた場合、図２の出力画素Ｒ１及びＲ２等には、複数のフォトダイオードが設けられる。
【００６４】
なお、最小画素単位毎に同じ大きさの受光素子を１つずつ設けた場合、例えば、固体撮像素子１０の配線工程以降において、基本パターンの構成を自在に変更できるようにすることが可能である。例えば、単位画素間の配線やカラーフィルタの配置を変更することにより、基本パターン内の各色の出力画素の数、大きさ、位置を自在に変更することが可能である。この場合、各出力画素は、配線により単位画素を組み合わせることにより形成される。
【００６５】
図１に戻り、垂直走査回路１２は、例えば、シフトレジスタやアドレスデコーダなどによって構成され、画素部１１の各基本パターン画素群ｇｐを基本パターン行単位等で駆動する。すなわち、垂直走査回路１２は、当該垂直走査回路１２を制御するロジック部１５と共に、画素部１１の各基本パターン画素群ｇｐの動作を制御する駆動部を構成している。
【００６６】
垂直走査回路１２によって選択走査された基本パターン行の各基本パターン画素群ｇｐから出力される画素信号は、基本パターン列ごとに各垂直信号線１９を介してカラム処理部１３に入力される。
【００６７】
カラム処理部１３は、画素部１１の基本パターン列ごとに、選択された基本パターン行の各基本パターン画素群ｇｐから垂直信号線１９を介して供給される画素信号に対して所定の信号処理を行い、信号処理後の画素信号を一時的に保持する。
【００６８】
具体的には、カラム処理部１３は、ＤＡ変換回路（ＤＡＣ）４１、比較器４２−１乃至４２−Ｎ、電流源４３−１乃至４３−Ｎ、及び、カウンタ（ＣＮＴ）４４−１乃至４４−Ｎを含むように構成される。また、基本パターン列毎に、比較器４２−ｉ、電流源４３−ｉ、及び、カウンタ４４−ｉ（ｉ＝１乃至Ｎ）を含む単位回路が構成されている。
【００６９】
なお、以下、比較器４２−１乃至４２−Ｎ、電流源４３−１乃至４３−Ｎ、及び、カウンタ４４−１乃至４４−Ｎを個々に区別する必要がない場合、それぞれ単に、比較器４２、電流源４３、及び、カウンタ４４と称する。
【００７０】
比較器４２は、ＤＡＣ４１により生成される参照電圧（ランプ波）と、垂直信号線１９を介して供給される画素信号とを比較し、比較結果を示す出力信号をカウンタ４４に供給する。
【００７１】
カウンタ４４は、比較器４２が比較処理を開始してから比較器４２の出力信号が反転するまでの時間をカウントする。そして、カウンタ４４のカウント結果を示すデジタルの画素信号が、水平転送回路１４によりアンプ回路１６に供給される。
【００７２】
このようして、カラム処理部１３は、画素信号のＡ／Ｄ変換を行う。なお、カラム処理部１３が、Ａ／Ｄ変換処理とともに、ノイズ除去処理、ＣＤＳ（Correlated Double Sampling；相関二重サンプリング）処理、ＤＤＳ（Double Data Sampling）処理等を行うようにしてもよい。
【００７３】
水平転送回路１４は、シフトレジスタやアドレスデコーダなどによって構成され、カラム処理部１３の基本パターン列に対応する単位回路を順番に選択する。この水平転送回路１４による選択走査により、カラム処理部１３において単位回路ごとに信号処理された画素信号が順番に出力される。
【００７４】
ロジック部１５は、各種のタイミング信号を生成するタイミングジェネレータなどによって構成され、当該タイミングジェネレータで生成された各種のタイミングを基に、垂直走査回路１２、カラム処理部１３、及び、水平転送回路１４などの駆動制御を行う。
【００７５】
アンプ回路１６は、各カウンタ４４から供給される画素信号を増幅し、信号処理部１７に供給する。
【００７６】
信号処理部１７は、アンプ回路１６から供給される画素信号に対して、各種の信号処理を行い、画像データを生成する。なお、信号処理部１７が行う信号処理には、後述するように同色画素群内の各出力画素の画素信号の合成処理が含まれる。そして、信号処理部１７は、生成した画像データを出力する。
【００７７】
｛基本パターンの例｝
以下、図４乃至図２５を参照して、画素部１１の基本パターン画素群ｇｐの出力画素の配置（すなわち、基本パターン）の例について説明する。
【００７８】
なお、図４乃至図２１において、受光面積が大きい出力画素（以下、大画素とも称する）をＲ１、Ｇ１ａ、Ｇ１ｂ、Ｂ１、Ｃ１ａ乃至Ｃ１ｃの符号で表している。受光面積が中程度の出力画素（以下、中画素とも称する）をＲ２、Ｇ２ａ、Ｇ２ｂ、Ｂ２、Ｃ２ａ乃至Ｃ２ｃの符号で表している。受光面積が小さい出力画素（以下、小画素とも称する）をＲ３、Ｇ３ａ、Ｇ３ｂ、Ｂ３、Ｃ３ａ乃至Ｃ３ｃの符号で表している。
【００７９】
図４乃至図１１は、各色について大画素と小画素の２種類の出力画素が配置された基本パターンの例を示している。また、図４、図５及び図７乃至図１０は、出力画素がＲ（赤）、Ｇ（緑）、Ｂ（青）の３色により構成される場合の例を示し、図６及び図１１は、出力画素がＲ（赤）及びＣ（クリア）の２色により構成される場合の例を示している。なお、クリア画素とは、色フィルタが設けられていないか、透明の色フィルタが設けられている画素であり、いわゆるＷ（ホワイト）画素と同様の画素である。このＲＣＣＣの色系統は、例えば、車載センシング等で重要となる赤色の波長帯の光（例えば、ブレーキランプ等）の検出精度を向上させるために用いられる。
【００８０】
図４の基本パターンでは、大画素Ｒ１、大画素Ｇ１ａ、大画素Ｇ１ｂ及び大画素Ｂ１がベイヤ配列に従って配置されている大画素群と、小画素Ｒ３、小画素Ｇ３ａ、小画素Ｇ３ｂ及び小画素Ｂ３がベイヤ配列に従って配置されている小画素群が、左右に並べられている。なお、例えば、大画素群と小画素群を上下に並べるようにしてもよい。
【００８１】
図５の基本パターンでは、小画素Ｒ３、小画素Ｇ３ａ、小画素Ｇ３ｂ及び小画素Ｂ３からなる小画素群が、ベイヤ配列に従って配置されている。また、大画素Ｒ１、大画素Ｇ１ａ、大画素Ｇ１ｂ及び大画素Ｂ１からなる大画素群が、ベイヤ配列に従って、小画素群の周囲を囲むように配置されている。すなわち、この基本パターンでは、大画素群が小画素群の周囲を囲むとともに、大画素群と小画素群の色配列が同じである。
【００８２】
図６の基本パターンでは、小画素Ｒ３、小画素Ｃ３ａ、小画素Ｃ３ｂ及び小画素Ｃ３ｃからなる小画素群が、２行×２列に配置されている。具体的には、小画素Ｒ３の右隣に小画素Ｃ３ａが配置され、小画素Ｒ３の下に小画素Ｃ３ｃが配置され、小画素Ｒ３の右斜め下に小画素Ｃ３ｂが配置されている。また、大画素Ｒ１、大画素Ｃ１ａ、大画素Ｃ１ｂ及び大画素Ｃ１ｃからなる大画素群が、小画素群と同様の色配列に従って、小画素群の周囲を囲むように配置されている。すなわち、この基本パターンでは、大画素群が小画素群の周囲を囲むとともに、大画素群と小画素群の色配列が同じである。
【００８３】
図７の基本パターンでは、小画素Ｒ３、小画素Ｇ３ａ、小画素Ｇ３ｂ及び小画素Ｂ３からなる小画素群が、ベイヤ配列に従って配置されている。また、大画素Ｒ１、大画素Ｇ１ａ、大画素Ｇ１ｂ及び大画素Ｂ１からなる大画素群が、ベイヤ配列に従って、小画素群の周囲を囲むように配置されている。ただし、大画素群の色配列は、小画素群の色配列を１８０度回転させた配列になっている。すなわち、この基本パターンでは、大画素群が小画素群の周囲を囲むとともに、大画素群と小画素群の色配列が異なっている。
【００８４】
図８の基本パターンは、図７の基本パターンと比較して、小画素Ｒ３及び小画素Ｂ３の位置が異なっている。すなわち、小画素Ｒ３は大画素Ｂ１の中央に配置され、大画素Ｂ１は小画素Ｒ３の周囲を囲んでいる。また、小画素Ｂ３は大画素Ｒ１の中央に配置され、大画素Ｒ１は小画素Ｂ３の周囲を囲んでいる。すなわち、この基本パターンでは、大画素群の中に小画素群が配置されるとともに、大画素群と小画素群の色配列が異なっている。また、小画素群の配置が、左右非対称及び上下非対称である。
【００８５】
図９の基本パターンでは、大画素Ｒ１、大画素Ｇ１ａ、大画素Ｇ１ｂ及び大画素Ｂ１からなる大画素群が、ベイヤ配列に従って配置されている。また、小画素Ｒ３、小画素Ｇ３ａ、小画素Ｇ３ｂ及び小画素Ｂ３からなる小画素群が、ベイヤ配列に従って配置されている。ただし、小画素群の色配列は、大画素群の色配列を１８０度回転させた配列になっている。また、小画素Ｒ３は大画素Ｂ１の中央に配置され、大画素Ｂ１は小画素Ｒ３の周囲を囲んでいる。小画素Ｇ３ａは大画素Ｇ１ｂの中央に配置され、大画素Ｇ１ｂは小画素Ｇ３ａの周囲を囲んでいる。小画素Ｇ３ｂは大画素Ｇ１ａの中央に配置され、大画素Ｇ１ａは小画素Ｇ３ｂの周囲を囲んでいる。小画素Ｂ３は大画素Ｒ１の中央に配置され、大画素Ｒ１は小画素Ｂ３の周囲を囲んでいる。すなわち、この基本パターンでは、大画素群の中に小画素群が配置されるとともに、大画素群と小画素群の色配列が異なっている。また、各小画素が各大画素のほぼ中央に配置されている。
【００８６】
図１０の基本パターンは、図７の基本パターンと比較して、小画素群の配置が異なっている。すなわち、図１０の基本パターンでは、図７の基本パターンと比較して、小画素群の色配列が９０度左回りに回転している。
【００８７】
図１１の基本パターンは、図６の基本パターンと比較して、小画素群の配置が異なっている。すなわち、図１１の基本パターンでは、図６の基本パターンと比較して、小画素群の色配列が１８０度回転している。従って、この基本パターンでは、大画素群が小画素群の周囲を囲むとともに、大画素群と小画素群の色配列が異なっている。
【００８８】
図１２乃至図１６は、緑色の出力画素が、大画素、中画素及び小画素の３種類により構成され、赤色及び青色の画素が大画素及び小画素の２種類により構成される場合の基本パターンの例を示している。
【００８９】
図１２の基本パターンは、図４の基本パターンの小画素Ｇ３ａを中画素Ｇ２ａに置き換えたパターンである。
【００９０】
図１３の基本パターンは、図５の基本パターンの小画素Ｇ３ａを中画素Ｇ２ａに置き換えたパターンである。
【００９１】
図１４の基本パターンは、図７の基本パターンの小画素Ｇ３ｂを中画素Ｇ２ｂに置き換えたパターンである。
【００９２】
図１５の基本パターンは、図８の基本パターンの小画素Ｇ３ｂを中画素Ｇ２ｂに置き換えたパターンである。
【００９３】
図１６の基本パターンは、図９の基本パターンの小画素Ｇ３ｂを中画素Ｇ２ｂに置き換えたパターンである。
【００９４】
このように、図１２乃至図１６の基本パターンでは、大画素からなる大画素群と、中画素及び小画素からなる大きさが不揃いの画素群とからなり、各画素群が、図４、図５及び図７乃至図９と同様の色配列に従っている。
【００９５】
図１７乃至図２１は、各色の出力画素が、それぞれ大画素、中画素及び小画素の３種類により構成される基本パターンの例を示している。また、図１７、図１８及び図２０は、出力画素がＲ（赤）、Ｇ（緑）、Ｂ（青）の３色により構成される場合の例を示し、図１９及び図２１は、出力画素がＲ（赤）及びＣ（クリア）の２色により構成される場合の例を示している。
【００９６】
図１７の基本パターンでは、大画素Ｒ１、大画素Ｇ１ａ、大画素Ｇ１ｂ及び大画素Ｂ１がベイヤ配列に従って配置されている大画素群、中画素Ｒ２、中画素Ｇ２ａ、中画素Ｇ２ｂ及び中画素Ｂ２がベイヤ配列に従って配置されている中画素群、並びに、小画素Ｒ３、小画素Ｇ３ａ、小画素Ｇ３ｂ及び小画素Ｂ３がベイヤ配列に従って配置されている小画素群が、左右に並べられている。なお、例えば、大画素群、中画素群、及び、小画素群を上下に並べるようにしてもよい。
【００９７】
図１８の基本パターンでは、小画素Ｒ３、小画素Ｇ３ａ、小画素Ｇ３ｂ及び小画素Ｂ３からなる小画素群が、ベイヤ配列に従って配置されている。また、中画素Ｒ２、中画素Ｇ２ａ、中画素Ｇ２ｂ及び中画素Ｂ２からなる中画素群が、ベイヤ配列に従って、小画素群の周囲を囲むように配置されている。さらに、大画素Ｒ１、大画素Ｇ１ａ、大画素Ｇ１ｂ及び大画素Ｂ１からなる大画素群が、ベイヤ配列に従って、中画素群の周囲を囲むように配置されている。すなわち、この基本パターンでは、中画素群が小画素群の周囲を囲み、大画素群が中画素群の周囲を囲むとともに、大画素群、中画素群及び小画素群の色配列が同じである。
【００９８】
図１９の基本パターンでは、小画素Ｒ３、小画素Ｃ３ａ、小画素Ｃ３ｂ及び小画素Ｃ３ｃからなる小画素群が、図６の基本パターンと同様の色配列に従って並べられている。また、中画素Ｒ２、中画素Ｃ２ａ、中画素Ｃ２ｂ及び中画素Ｃ２ｃからなる大画素群が、小画素群と同様の色配列に従って、小画素群の周囲を囲むように配置されている。さらに、大画素Ｒ１、大画素Ｃ１ａ、大画素Ｃ１ｂ及び大画素Ｃ１ｃからなる大画素群が、中画素群及び小画素群と同様の色配列に従って、中画素群の周囲を囲むように配置されている。すなわち、この基本パターンでは、中画素群が小画素群の周囲を囲み、大画素群が中画素群の周囲を囲むとともに、大画素群、中画素群及び小画素群の色配列が同じである。
【００９９】
図２０の基本パターンでは、小画素Ｒ３、小画素Ｇ３ａ、小画素Ｇ３ｂ及び小画素Ｂ３からなる小画素群が、ベイヤ配列に従って配置されている。また、中画素Ｒ２、中画素Ｇ２ａ、中画素Ｇ２ｂ及び中画素Ｂ２からなる中画素群が、ベイヤ配列に従って、小画素群の周囲を囲むように配置されている。さらに、大画素Ｒ１、大画素Ｇ１ａ、大画素Ｇ１ｂ及び大画素Ｂ１からなる大画素群が、ベイヤ配列に従って、中画素群の周囲を囲むように配置されている。ただし、中画素群の色配列は、小画素群の色配列を左回りに９０度回転させた配列になっている。大画素群の色配列は、中画素群の色配列を左回りに９０度回転させた配列になっている。すなわち、この基本パターンでは、中画素群が小画素群の周囲を囲み、大画素群が中画素群の周囲を囲むとともに、大画素群、中画素群及び小画素群の色配列が互いに異なっている。
【０１００】
なお、図２０の基本パターンは、上述した図２の基本パターンと同様のパターンである。
【０１０１】
図２１の例では、小画素Ｒ３、小画素Ｃ３ａ、小画素Ｃ３ｂ及び小画素Ｃ３ｃからなる小画素群が、２行×２列に配置されている。具体的には、小画素Ｒ３の下に小画素Ｃ３ａが配置され、小画素Ｒ３の左に小画素Ｃ３ｃが配置され、小画素Ｒ３の左斜め下に小画素Ｃ３ｂが配置されている。また、中画素Ｒ２、中画素Ｃ２ａ、中画素Ｃ２ｂ及び中画素Ｃ２ｃからなる中画素群が、小画素群の周囲を囲むように配置されている。ただし、中画素群の色配列は、小画素群の色配列を右回りに９０度回転させた配列になっている。さらに、大画素Ｒ１、大画素Ｃ１ａ、大画素Ｃ１ｂ及び大画素Ｃ１ｃからなる大画素群が、中画素群の周囲を囲むように配置されている。ただし、大画素群の色配列は、中画素群の色配列を１８０度回転させた配列になっている。すなわち、この基本パターンでは、中画素群が小画素群の周囲を囲み、大画素群が中画素群の周囲を囲むとともに、大画素群、中画素群及び小画素群の色配列が互いに異なっている。
【０１０２】
｛画素信号の合成方法の例｝
次に、図２２乃至図２５を参照して、信号処理部１７において、基本パターン画素群ｇｐの各色の画素信号を合成する方法の例について説明する。ここで、画素信号の合成とは、入射光量に応じて、基本パターン画素群の同色画素群内の大きさが異なる出力画素の画素信号の切り替えや加算等を行うことにより、ダイナミックレンジを拡大する処理のことである。
【０１０３】
まず、図２２及び図２３を参照して、同じ色の大画素と小画素の２種類の画素信号の合成方法の例について説明する。
【０１０４】
図２２は、カラム処理部１３から出力される画素信号の特性を模式的に示すグラフである。横軸が入射光量を示し、縦軸が信号値を示している。なお、縦軸の信号値は、カラム処理部１３においてアナログの画素信号を８ビット階調（２５６階調）で量子化した場合の例を示している。また、特性カーブＬは大画素の画素信号の特性を示し、特性カーブＳは小画素の画素信号の特性を示している。なお、以下、特性カーブＬの傾きをＬとし、特性カーブＳの傾きをＳとする。
【０１０５】
大画素は、小画素と比較して、受光面積が広い分、感度が高い一方、飽和光量が小さい。一方、小画素は、大画素と比較して、受光面積が狭い分、感度が低い一方、飽和光量が大きい。そして、大画素が検出可能な光量、すなわち、大画素のダイナミックレンジは、光量０から光量Ｐ１までの範囲である。一方、小画素が検出可能な光量、すなわち、小画素のダイナミックレンジは、光量０から光量Ｐ３までの範囲である。
【０１０６】
ここで、信号処理部１７は、光量０から光量Ｐ１までの範囲においては、大画素の画素信号を選択し、選択した画素信号を出力する。一方、信号処理部１７は、光量Ｐ１から光量Ｐ３までの範囲においては、小画素の画素信号を選択し、選択した画素信号に所定の係数を乗じた信号を出力する。この係数は、例えば、Ｌ／Ｓに設定され、小画素に対する大画素の大きさ（受光面積）の比とほぼ等しくなる。
【０１０７】
これにより、大画素のみを用いた場合と比較して、ダイナミックレンジが光量０から光量Ｐ３までの範囲に拡大される。また、被写体の暗い部分（低輝度被写体）に対しては、相対的に受光面積の大きい大画素の画素信号を用いることにより感度が向上する。一方、被写体の明るい部分（高輝度被写体）に対しては、相対的に受光面積の小さい小画素の画素信号を用いることにより、フォトダイオード１０１の飽和により発生する白飛びの発生を防止することができる。
【０１０８】
図２３は、図２２を参照して上述した合成処理をおこなった場合に信号処理部１７から出力される画素信号（以下、合成信号と称する）の特性を模式的に示すグラフである。横軸が入射光量を示し、縦軸が信号値を示している。
【０１０９】
ここで、画素信号の切り替えが発生する入射光量Ｐ１付近において、合成信号の特性が変化する。例えば、入射光量Ｐ１の前後において、グラフが不連続となったり、入射光量Ｐ１の前後で、グラフの傾きが変化したりする場合がある。この特性の変化により、入射光量Ｐ１付近において、空間方向及び時間方向に色や明るさが不自然に変化する現象が発生する恐れがある。また、この特性の変化は、大画素の特性カーブＬと小画素の特性カーブＳの差（例えば、特性カーブＬと特性カーブＳの傾きの差等）が大きくなるほど大きくなる。
【０１１０】
次に、図２４及び図２５を参照して、同じ色の大画素、中画素及び小画素の３種類の画素信号の合成方法の例について説明する。
【０１１１】
図２４は、図２２と同様に、カラム処理部１３から出力される画素信号の特性を模式的に示すグラフである。特性カーブＬ及び特性カーブＳは、図２２と同じものであり、特性カーブＭは、中画素の画素信号の特性を示している。なお、以下、特性カーブＭの傾きをＭとする。
【０１１２】
中画素は、小画素と比較して、受光面積が広い分、感度が高い一方、飽和光量が小さく、大画素と比較して、受光面積が狭い分、感度が低い一方、飽和光量が大きい。そして、中画素のダイナミックレンジは、光量０から光量Ｐ２までの範囲である。
【０１１３】
ここで、信号処理部１７は、光量０から光量Ｐ１までの範囲においては、大画素の画素信号を選択し、選択した画素信号を出力する。一方、信号処理部１７は、光量Ｐ１から光量Ｐ２までの範囲においては、中画素の画素信号を選択し、選択した画素信号に所定の係数を乗じた信号を出力する。この係数は、例えば、Ｌ／Ｍに設定され、中画素に対する大画素の大きさ（受光面積）の比とほぼ等しくなる。また、信号処理部１７は、光量Ｐ２から光量Ｐ３までの範囲においては、小画素の画素信号を選択し、選択した画素信号に所定の係数を乗じた信号を出力する。この係数は、例えば、Ｌ／Ｓに設定され、小画素に対する大画素の大きさ（受光面積）の比とほぼ等しくなる。このように、大きさが２番目以降の出力画素（中画素及び小画素）の画素信号には所定の係数が乗ぜられる。
【０１１４】
これにより、大画素のみを用いた場合と比較して、ダイナミックレンジが光量０から光量Ｐ３までの範囲に拡大される。また、被写体の暗い部分（低輝度被写体）に対しては、相対的に受光面積の大きい大画素の画素信号を用いることにより感度が向上する。一方、被写体の明るい部分（高輝度被写体）に対しては、相対的に受光面積の小さい小画素の画素信号を用いることにより、フォトダイオード１０１の飽和により発生する白飛びの発生を防止することができる。
【０１１５】
図２５は、図２４を参照して上述した合成処理をおこなった場合に信号処理部１７から出力される合成信号の特性を模式的に示すグラフである。横軸が入射光量を示し、縦軸が信号値を示している。
【０１１６】
ここで、画素信号の切り替えが発生する入射光量Ｐ１及びＰ２付近において、合成信号の特性が変化する。この特性の変化により、入射光量Ｐ１及びＰ２付近において、空間方向及び時間方向に色や明るさが不自然に変化する現象が発生する恐れがある。
【０１１７】
一方、大画素の特性カーブＬと中画素の特性カーブＭの差、及び、中画素の特性カーブＭと小画素の特性カーブＳの差は、大画素の特性カーブＬと小画素の特性カーブＳの差より小さい。従って、図２５の入射光量Ｐ１及びＰ２付近における合成信号の特性の変化は、図２３の入射光量Ｐ１における合成信号の特性の変化より小さくなる。これにより、２種類の画素信号を合成する場合と比較して、入射光量Ｐ１及びＰ２付近において、空間方向及び時間方向に色や明るさが不自然に変化する現象の発生を緩和することができる。その結果、信号処理部１７から出力される画像データに基づく画像の画質の低下が抑制される。なお、この効果は、全ての色の出力画素の大きさが３種類以上でなくても、少なくとも１色の出力画素の大きさが３種類以上の場合に得ることができる。
【０１１８】
また、図２、図７乃至図１１、図１４乃至図１６、図２０及び図２１の基本パターンのように、大きさが異なる出力画素間で異なる色配列とすることにより、各色情報を検出する領域を分散させることができる。例えば、図２の例では、赤、緑、青の色情報を検出する出力画素の配置が分散されている。これにより、上述した合成処理や、周囲の画素の色情報を用いた補間処理において、偽色の発生を抑制することができる。その結果、信号処理部１７から出力される画像データに基づく画像の画質の低下が抑制される。なお、この効果は、全ての色の出力画素の配置が分散されていなくても、少なくとも１色の出力画素の配置が分散されている場合に得ることができる。
【０１１９】
＜２．変形例＞
以下、上述した本技術の実施の形態の変形例について説明する。
【０１２０】
｛基本パターンに関する変形例｝
上述した基本パターンは、その一例であり、他のパターンを採用することが可能である。
【０１２１】
例えば、各色間で出力画素の大きさの種類の数が異なっていてもよい。
【０１２２】
また、例えば、１色以上の出力画素の大きさを４種類以上に設定することも可能である。
【０１２３】
さらに、一部の出力画素の大きさを１種類にすることも可能である。
【０１２４】
また、色の種類や数を変更することも可能である。例えば、Ｒ、Ｇ、Ｂ、Ｗ（ホワイト）の組み合わせや、Ｃ（シアン）、Ｍ（マゼンタ）、Ｙ（イエロー）等の色の組み合わせを用いることが可能である。
【０１２５】
｛合成処理に関する変形例｝
上述した画素信号の合成処理では、入射光量に応じて、使用する画素信号を切り替える例を示したが、例えば、複数の画素信号を加算して出力するようにしてもよい。
【０１２６】
例えば、図２４の入射光量Ｐａから入射光量Ｐ１までの範囲において、大画素の画素信号と中画素の画素信号を選択し、選択した２つの画素信号を所定の比率で加算して出力するようにしてもよい。また、例えば、入射光量Ｐｂから入射光量Ｐ２までの範囲において中画素の画素信号と小画素の画素信号を選択し、選択した２つの画素信号を所定の比率で加算して出力するようにしてもよい。
【０１２７】
｛その他の変形例｝
図１では、基本パターン列毎に垂直信号線１９を設ける例を示したが、基本パターン画素群ｇｐの構成によっては、この限りではない。例えば、基本パターン列に対して複数の垂直信号線１９を設けるようにしてもよい。
【０１２８】
また、上記の実施の形態では、本技術を単位画素が行列状に配置されたＣＭＯＳイメージセンサに適用した場合を例に挙げて説明したが、本技術はＣＭＯＳイメージセンサへの適用に限られるものではない。すなわち、本技術は、ダイナミックレンジを拡大するために大きさが異なる画素を備える固体撮像素子全般に適用することが可能である。
【０１２９】
また、本技術を適用した固体撮像素子は、例えば、ワンチップとして形成された形態であってもよいし、撮像部と、信号処理部または光学系とがまとめてパッケージングされた撮像機能を有するモジュール状の形態であってもよい。
【０１３０】
＜３．固体撮像素子の使用例＞
図２６は、上述の固体撮像素子の使用例を示す図である。
【０１３１】
上述した固体撮像素子は、例えば、以下のように、可視光や、赤外光、紫外光、Ｘ線等の光をセンシングする様々なケースに使用することができる。
【０１３２】
・デジタルカメラや、カメラ機能付きの携帯機器等の、鑑賞の用に供される画像を撮影する装置
・自動停止等の安全運転や、運転者の状態の認識等のために、自動車の前方や後方、周囲、車内等を撮影する車載用センサ、走行車両や道路を監視する監視カメラ、車両間等の測距を行う測距センサ等の、交通の用に供される装置
・ユーザのジェスチャを撮影して、そのジェスチャに従った機器操作を行うために、TVや、冷蔵庫、エアーコンディショナ等の家電に供される装置
・内視鏡や、赤外光の受光による血管撮影を行う装置等の、医療やヘルスケアの用に供される装置
・防犯用途の監視カメラや、人物認証用途のカメラ等の、セキュリティの用に供される装置
・肌を撮影する肌測定器や、頭皮を撮影するマイクロスコープ等の、美容の用に供される装置
・スポーツ用途等向けのアクションカメラやウェアラブルカメラ等の、スポーツの用に供される装置
・畑や作物の状態を監視するためのカメラ等の、農業の用に供される装置
【０１３３】
｛撮像装置｝
図２７は、本技術を適用した電子機器の一例である撮像装置（カメラ装置）の構成例を示すブロック図である。
【０１３４】
図２７に示すように、撮像装置は、レンズ群３０１などを含む光学系、撮像素子３０２、カメラ信号処理部であるＤＳＰ回路３０３、フレームメモリ３０４、表示装置３０５、記録装置３０６、操作系３０７、及び、電源系３０８等を有している。そして、ＤＳＰ回路３０３、フレームメモリ３０４、表示装置３０５、記録装置３０６、操作系３０７、及び、電源系３０８がバスライン３０９を介して相互に接続された構成となっている。
【０１３５】
レンズ群３０１は、被写体からの入射光（像光）を取り込んで撮像素子３０２の撮像面上に結像する。撮像素子３０２は、レンズ群３０１によって撮像面上に結像された入射光の光量を画素単位で電気信号に変換して画素信号として出力する。
【０１３６】
表示装置３０５は、液晶表示装置や有機ＥＬ（electro luminescence）表示装置等のパネル型表示装置から成り、撮像素子３０２で撮像された動画または静止画を表示する。記録装置３０６は、撮像素子３０２で撮像された動画または静止画を、メモリカードやビデオテープやＤＶＤ（Digital Versatile Disk）等の記録媒体に記録する。
【０１３７】
操作系３０７は、ユーザによる操作の下に、本撮像装置が持つ様々な機能について操作指令を発する。電源系３０８は、ＤＳＰ回路３０３、フレームメモリ３０４、表示装置３０５、記録装置３０６、及び、操作系３０７の動作電源となる各種の電源を、これら供給対象に対して適宜供給する。
【０１３８】
このような撮像装置は、ビデオカメラやデジタルスチルカメラ、更には、スマートフォン、携帯電話機等のモバイル機器向けカメラモジュールに適用される。そして、この撮像装置において、例えば、撮像素子３０２として固体撮像素子１０を用いることができる。これにより、撮像装置のダイナミックレンジを拡大し、画質を向上させることができる。
【０１３９】
なお、本技術の実施の形態は、上述した実施の形態に限定されるものではなく、本技術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。
【０１４０】
また、例えば、本技術は以下のような構成も取ることができる。
【０１４１】
（１）
画素信号の出力単位に基づく画素である出力画素のうち少なくとも１色の前記出力画素が３種類以上の大きさを有し、複数の色の前記出力画素が所定のパターンに従って配置された基本パターン画素群が並べられている画素部と、
同じ色で大きさが異なる複数の前記出力画素からの複数の画素信号の合成処理を行う信号処理部と
を備える固体撮像素子。
（２）
各色の前記出力画素が、それぞれ２種類以上の大きさを有し、
前記パターン内において、複数の第１の出力画素からなる第１の画素群の色配列と、前記第１の出力画素と大きさが異なる複数の第２の出力画素からなる第２の画素群の色配列とが異なる
前記（１）に記載の固体撮像素子。
（３）
前記第１の画素群が前記第２の画素群の周囲を囲んでいる
前記（２）に記載の固体撮像素子。
（４）
前記第１の出力画素のうち少なくとも１つが、１つの前記第２の出力画素の周囲を囲んでいる
前記（２）に記載の固体撮像素子。
（５）
各色の前記出力画素が、それぞれ３種類以上の大きさを有し、
前記パターン内において、複数の第１の出力画素からなる第１の画素群が、前記第１の出力画素と大きさが異なる複数の第２の出力画素からなる第２の画素群の周囲を囲み、前記第２の画素群が、前記第２の出力画素と大きさが異なる複数の第３の出力画素からなる第３の画素群の周囲を囲んでいる
前記（１）に記載の固体撮像素子。
（６）
各前記出力画素は、同じ大きさの受光素子をそれぞれ備える１つ以上の単位画素により構成される
前記（１）乃至（５）のいずれかに記載の固体撮像素子。
（７）
最も小さな前記出力画素は、１つの前記単位画素により構成され、それ以外の大きさの画素は、複数の前記単位画素により構成される
前記（６）に記載の固体撮像素子。
（８）
各前記出力画素は、配線により前記単位画素を組み合わせることにより形成される
前記（６）又は（７）に記載の固体撮像素子。
（９）
前記信号処理部は、同じ色で大きさが３種類以上の複数の前記出力画素からの複数の画素信号を合成する場合、入射光量に応じて前記複数の画素信号のうち１つを選択して出力するとともに、大きさが２番目以降の前記出力画素の画素信号に所定の係数を乗じて出力する
前記（１）乃至（８）のいずれかに記載の固体撮像素子。
（１０）
前記信号処理部は、同じ色で大きさが３種類以上の複数の前記出力画素からの複数の画素信号を合成する場合、入射光量に応じて前記複数の画素信号のうち２つを選択し、選択した画素信号を所定の比率で合成した信号を出力する
前記（１）乃至（８）のいずれかに記載の固体撮像素子。
（１１）
固体撮像素子と、
前記固体撮像素子から出力される信号を処理する第１の信号処理部と
を備え、
前記固体撮像素子は、
画素信号の出力単位に基づく画素である出力画素のうち少なくとも１色の前記出力画素が３種類以上の大きさを有し、複数の色の前記出力画素が所定のパターンに従って配置された基本パターン画素群が並べられている画素部と、
同じ色で大きさが異なる複数の前記出力画素からの複数の画素信号の合成処理を行う第２の信号処理部と
を備える電子機器。
（１２）
画素信号の出力単位に基づく画素である出力画素が色毎にそれぞれ２種類以上の大きさを有し、複数の色の前記出力画素が所定のパターンに従って配置された基本パターン画素群が並べられるとともに、前記パターン内において、複数の第１の出力画素からなる第１の画素群の色配列と、前記第１の出力画素と大きさが異なる複数の第２の出力画素からなる第２の画素群の色配列とが異なる画素部と、
同じ色で大きさが異なる複数の前記出力画素からの複数の画素信号の合成処理を行う信号処理部と
を備える固体撮像素子。
（１３）
前記第１の画素群が前記第２の画素群の周囲を囲んでいる
前記（１２）に記載の固体撮像素子。
（１４）
前記第１の出力画素のうち少なくとも１つが、１つの前記第２の出力画素の周囲を囲んでいる
前記（１２）に記載の固体撮像素子。
（１５）
各前記出力画素は、同じ大きさの受光素子をそれぞれ備える１つ以上の単位画素により構成される
前記（１２）乃至（１４）のいずれかに記載の固体撮像素子。
（１６）
最も小さな前記出力画素は、１つの前記単位画素により構成され、それ以外の大きさの画素は、複数の前記単位画素により構成される
前記（１５）に記載の固体撮像素子。
（１７）
各前記出力画素は、配線により前記単位画素を組み合わせることにより形成される
前記（１５）又は（１６）に記載の固体撮像素子。
（１８）
固体撮像素子と、
前記固体撮像素子から出力される信号を処理する第１の信号処理部と
を備え、
前記固体撮像素子は、
画素信号の出力単位に基づく画素である出力画素が色毎にそれぞれ２種類以上の大きさを有し、複数の色の前記出力画素が所定のパターンに従って配置された基本パターン画素群が並べられるとともに、前記パターン内において、複数の第１の出力画素からなる第１の画素群の色配列と、前記第１の出力画素と大きさが異なる複数の第２の出力画素からなる第２の画素群の色配列とが異なる画素部と、
同じ色で大きさが異なる複数の前記出力画素からの複数の画素信号の合成処理を行う第２の信号処理部と
を備える電子機器。
【符号の説明】
【０１４２】
１０  固体撮像素子，  １１  画素部，  １３  カラム処理部，  １７  信号処理部，  １８−１乃至１８−Ｍ  画素駆動線，  １９−１乃至１９−Ｎ  垂直信号線，  １００  同色画素群，  １０１−１乃至１０１−３  フォトダイオード，  １０２−１乃至１０２−３  転送トランジスタ，  １０３  リセットトランジスタ，  １０４  フローティングディフュージョン，  １０５  増幅トランジスタ，  １０６  選択トランジスタ，  ｇｐ（１，１）乃至ｇｐ（Ｍ，Ｎ）  基本パターン画素群，  Ｒ１乃至Ｒ３，Ｇ１ａ乃至Ｇ３ａ，Ｇ１ｂ乃至Ｇ３ｂ，Ｂ１乃至Ｂ３  出力画素
【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５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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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１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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【国際調査報告】
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