(57)【要約】【課題】  感度の異なる複数の画素間で出力画素の切り替えを行っても、画質の劣化を低減させることのできる固体撮像装置を提供する。【解決手段】  実施形態の固体撮像装置の画素セル１００には、受光面積の大きな高感度画素１と受光面積の小さな低感度画素２とが、配置されている。高感度画素１と低感度画素２は、高感度画素１の幾何学的な平面形状の中心Ｏ１と低感度画素２の幾何学的な平面形状の中心Ｏ２が画素セル１００の中心Ｏに一致するように、配置されている。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
互いに受光面積の異なる複数の画素が、
それぞれの幾何学的な平面形状の中心が同一位置あるいは近傍となるよう１つの画素セル内に配置されている
ことを特徴とする固体撮像装置。
【請求項２】
前記複数の画素は、
受光面積が小さい画素の周囲を受光面積の大きい画素が取り囲んでいる
ことを特徴とする請求項１に記載の固体撮像装置。
【請求項３】
前記受光面積の大きい画素の受光面が複数の領域に分割され、
それぞれの前記領域に読み出しゲートが配置されている
ことを特徴とする請求項２に記載の固体撮像装置。
【請求項４】
前記受光面積の小さい画素が、
受光面の開口サイズによって前記受光面積が調整される
ことを特徴とする請求項２または３に記載の固体撮像装置。
【請求項５】
画素サイズが同一で前記開口サイズの異なる２つの画素が、
隣接して配置されている
ことを特徴とする請求項４に記載の固体撮像装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施形態は、固体撮像装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
固体撮像装置のダイナミックレンジを拡大する手法として、互いに感度の異なる複数の画素を隣接させて配列し、入射光量に応じて出力画素を選択することが行われる。
【０００３】
画素の感度は、画素の受光面積を変えることによって設定することができる。この場合、受光面積を大きくすれば高感度の画素が得られ、受光面積を小さくすると低感度の画素となる。
【０００４】
しかし、従来の画素配列では、感度の異なる画素間に、光学的な画素位置のずれがあるため、その受光する被写体の位置にもずれがあり、出力画素の切り替えが行われると画質が劣化する、という問題があった。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００７−１９２５１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明が解決しようとする課題は、感度の異なる複数の画素間で出力画素の切り替えを行っても、画質の劣化を低減させることのできる固体撮像装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
実施形態の固体撮像装置は、互いに受光面積の異なる複数の画素が、それぞれの幾何学的な平面形状の中心が同一位置あるいは近傍となるよう１つの画素セル内に配置されている。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】第１の実施形態の固体撮像装置の画素配置例を示す平面図。
【図２】高感度画素と低感度画素の入力光量に対する感度特性の例を示す図。
【図３】第１の実施形態の固体撮像装置の別の画素配置例を示す平面図。
【図４】第２の実施形態の固体撮像装置の画素配置例を示す平面図。
【図５】第２の実施形態の固体撮像装置の別の画素配置例を示す平面図。
【図６】第３の実施形態の固体撮像装置の画素配置例を示す平面図。
【図７】第３の実施形態の固体撮像装置の別の画素配置例を示す平面図。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。なお、図中、同一または相当部分には同一の符号を付して、その説明は繰り返さない。
【００１０】
（第１の実施形態）
図１（ａ）は、第１の実施形態の固体撮像装置にマトリックス状に配列される画素セル内の画素配置例を示す平面図である。
【００１１】
本実施形態の固体撮像装置の画素セル１００には、高感度画素１と低感度画素２とが配置され、低感度画素２の周囲を取り囲むように高感度画素１が配置されている。
【００１２】
図１（ｂ）に高感度画素１の平面図、図１（ｃ）に低感度画素２の平面図を示す。各図においてハッチングを施した部分が、それぞれの画素の受光領域を示す。
【００１３】
高感度画素１の受光面積は、低感度画素２の受光面積よりも大きい。受光面積が大きい分、高感度画素１の感度は、低感度画素２の感度よりも高くなる。
【００１４】
ここで、環状形態の高感度画素１の幾何学的形状の中心をＯ１、低感度画素２の幾何学的形状の中心をＯ２と表わす。
【００１５】
本実施形態では、図１（ａ）に示すように、高感度画素１の中心Ｏ１と低感度画素２の中心Ｏ２が、画素セル１００の中心Ｏに一致するよう配置されている。
【００１６】
また、高感度画素１で発生した電荷は、読み出しゲートＧ１により読み出され、画素出力信号として出力される。同様に、低感度画素２で発生した電荷は、読み出しゲートＧ２により読み出され、画素出力信号として出力される。
【００１７】
図２に、高感度画素１および低感度画素２の入力光量に対する画素出力信号の関係を表す、感度特性の例を示す。
【００１８】
図２に示すように、高感度画素１は、低光量領域で線形の出力特性を示し、低感度画素２は、高光量領域で線形の出力特性を示す。
【００１９】
そこで、本実施形態では、低光量領域を高感度画素１の分担範囲、高光量領域を低感度画素２の分担範囲として、入力光量に応じて、出力画素の切り替えを行う。
【００２０】
このとき、本実施形態では、高感度画素１と低感度画素２の幾何学的形状の中心が一致しているので、出力画素が切り替わっても被写体に対する光軸のずれが小さい。そのため、出力画素の切り替えに伴う画質の劣化を低減させることができる。
【００２１】
図３は、画素セル内の画素配置の別の例を示す平面図である。
【００２２】
図３に示す例では、画素セル１１０内に、感度の異なる４つの画素、すなわち、高感度画素１１、中感度画素１２、低感度画素１３、超低感度画素１４が配置されている。
【００２３】
ここで、高感度画素１１、中感度画素１２、低感度画素１３、超低感度画素１４は、それぞれの幾何学的形状の中心が、画素セル１１０の中心Ｏに一致するよう配置されている。
【００２４】
高感度画素１１、中感度画素１２、低感度画素１３は、環状の形態をしており、超低感度画素１４の周囲を低感度画素１３が取り囲み、低感度画素１３の周囲を中感度画素１２が取り囲み、中感度画素１２の周囲を高感度画素１１が取り囲むように配置されている。
【００２５】
また、高感度画素１１に対しては読み出しゲートＧ１１、中感度画素１２に対しては読み出しゲートＧ１２、低感度画素１３に対しては読み出しゲートＧ１３、超低感度画素１４に対しては読み出しゲートＧ１４が、設けられている。
【００２６】
図３に示す例においても、感度の異なる４つの画素が、幾何学的形状の中心が一致するように配置されている。そのため、入力光量に応じて出力画素の切り替えが行われても、被写体に対する光軸のずれが小さい。
【００２７】
このような本実施形態によれば、１つの画素セル内に、感度の異なる複数の画素が、その幾何学的形状の中心が画素セルの中心に一致するよう配置されているので、出力画素の切り替えによる光軸のずれを小さくすることができる。これにより、出力画素の切り替えに伴う画質の劣化を低減させることができる。
【００２８】
（第２の実施形態）
例えば、上述の第１の実施形態の図１に示した高感度画素１の場合、受光面積が大きいため、画素読み出しゲートＧ１から遠い位置で発生した電荷は、読み出しゲートＧ１に到達するまでに時間がかかる。場合によっては、画素内に電荷が残留し、残像の原因となる。そこで、本実施例では、感度の高い画素であっても、電荷の読み出しを速やかに行うことのできる固体撮像装置の例を示す。
【００２９】
図４は、第２の実施形態の固体撮像装置の画素セル内の画素配置例を示す平面図である。図４に示す例では、図１に示した高感度画素１の配置領域が４つに分割され、それぞれの領域が、高感度画素１ａ、高感度画素１ｂ、高感度画素１ｃ、高感度画素１ｄとされる。
【００３０】
図４に示すように、本実施形態の固体撮像装置の画素セル２００では、低感度画素２の周囲を取り囲むように、高感度画素１ａ、高感度画素１ｂ、高感度画素１ｃ、高感度画素１ｄが配置されている。
【００３１】
図４に示す例では、高感度画素１ａに読み出しゲートＧ１ａ、高感度画素１ｂに読み出しゲートＧ１ｂ、高感度画素１ｃに読み出しゲートＧ１ｃ、高感度画素１ｄに読み出しゲートＧ１ｄが、設けられている。そのため、図１に示した高感度画素１に比べて、高感度画素領域１ａ〜１ｄの各領域では、読み出しゲートＧ１ａ〜１ｄまでの距離が短くなる。
【００３２】
したがって、高感度画素１ａ〜１ｄに発生した電荷は、読み出しゲートＧ１ａ〜１ｄから速やかに読み出される。これにより、電荷の読み出し速度が向上するとともに、電荷の残留を抑制することができる。
【００３３】
図５は、画素領域分割の別の例を示す平面図である。
【００３４】
図５に示す画素セル２１０では、高感度画素領域が、高感度画素１１ａと高感度画素１１ｂとに分割され、中感度画素領域が、中感度画素１２ａと中感度画素１2ｂとに分割されている。
【００３５】
中感度画素１２ａと中感度画素１２ｂは、低感度画素１３を取り囲むように配置され、高感度画素１１ａと高感度画素１１ｂは、中感度画素１２ａと中感度画素１２ｂを取り囲むように配置されている。
【００３６】
図５に示す例では、高感度画素１１ａに読み出しゲートＧ１１ａ、高感度画素１１ｂに読み出しゲートＧ１１ｂが設けられ、中感度画素１２ａに読み出しゲートＧ１２ａ、中感度画素１２ｂに読み出しゲートＧ１２ｂが設けられている。
【００３７】
そのため、高感度画素１１ａ、１１ｂに発生した画素は、読み出しゲートＧ１１ａ、１１ｂから速やかに読み出され、中感度画素１２ａ、１２ｂに発生した画素は、読み出しゲートＧ１２ａ、１２ｂから速やかに読み出される。
【００３８】
このような本実施形態によれば、受光領域が大きな感度の高い画素は、その領域が複数に分割され、各領域に読み出しゲートが設けられるので、各受光領域の発生した電荷を速やかに読み出すことができる。これにより、画素からの電荷の読み出し速度を向上させることができるとともに、画素内に電荷が残留することを抑制することができる。
【００３９】
（第３の実施形態）
上述の第１および第２の実施形態では、画素サイズを小さくすることによって低感度画素を形成している。しかし、入力光量に対する出力特性をサイズの大きな画素と同じに保ちながら画素サイズを小さくすることは、製造技術上の困難を伴う。そこで、本実施形態では、低感度画素の製造が容易な固体撮像装置の例を示す。
【００４０】
図６は、第３の実施形態の固体撮像装置の画素セル内の画素配置例を示す平面図である。
【００４１】
図６に示す画素セル３００では、高感度画素１１ａと高感度画素１１ｂ、中感度画素１２、低感度画素１３が配置されている。
【００４２】
本実施形態では、第１および第２の実施形態とは異なり、中感度画素１２と低感度画素１３は、横に並べて配置されている。また、高感度画素１１ａと高感度画素１１ｂは、中感度画素１２と低感度画素１３を取り囲むように配置されている。
【００４３】
したがって、中感度画素１２の中心Ｏ１２の位置と低感度画素１３の中心Ｏ１３の位置は、高感度画素１１ａと高感度画素１１ｂからなる高感度画素配置領域の中心Ｏ１１の位置とは一致しない。
【００４４】
すなわち、中感度画素１２の中心Ｏ１２と低感度画素１３の中心Ｏ１３は、高感度画素配置領域の中心Ｏ１１の近傍に配置される。しかし、その位置のずれは僅かであるため、出力画素の切り替えによる光軸のずれは小さく、出力画素の切り替えに伴う画質の劣化も少ない。
【００４５】
本実施形態では、低感度画素１３の画素サイズ自体は、中感度画素１２の画素サイズと同じである。しかし、低感度画素１３内には遮光マスクＳＭが設けられている。遮光マスクＳＭにより入射光が遮られるため、低感度画素１３の光電変換に寄与する受光面積は、中感度画素１２よりも小さくなる。
【００４６】
なお、低感度画素１３の受光面積は、遮光マスクＳＭの遮光面積を変えることにより、任意に調整することができる。
【００４７】
図７は、中感度画素１２と低感度画素１３の別の配置例を示す平面図である。
【００４８】
図７に示す画素セル３１０では、中感度画素１２と低感度画素１３が、縦に並べて配置されている。また、高感度画素１ａ〜１ｄが、中感度画素１２と低感度画素１３を取り囲むように配置されている。
【００４９】
図７に示す例においても、低感度画素１３の画素サイズと中感度画素１２の画素サイズは同じであり、低感度画素１３内に遮光マスクＳＭが設けられているため、低感度画素１３の光電変換に寄与する受光面積は、中感度画素１２よりも小さくなる。
【００５０】
また、図７に示す例においても、中感度画素１２の中心Ｏ１２と低感度画素１３の中心Ｏ１３は、高感度画素配置領域の中心Ｏ１１の近傍に配置される。しかし、その位置のずれは僅かであるため、出力画素の切り替えによる光軸のずれは小さく、出力画素の切り替えに伴う画質の劣化も少ない。
【００５１】
このような本実施形態によれば、遮光マスクにより受光面積を調整することができるので低感度画素を容易に製造することができる。また、低感度画素を中感度画素の近傍に配置することができるので、出力画素の切り替えに伴う画質の劣化を抑制することができる。
【００５２】
以上説明した少なくとも１つの実施形態の固体撮像装置によれば、感度の異なる複数の画素間で出力画素の切り替えを行っても、画質の劣化を低減させることができる。
【００５３】
また、本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。
【符号の説明】
【００５４】
１、１ａ〜１ｄ、１１、１１ａ、１１ｂ  高感度画素
１２、１２ａ、１２ｂ  中感度画素
２、１３  低感度画素
１４  超低感度画素
Ｇ１、Ｇ２、Ｇ１１〜Ｇ１４、Ｇ１ａ〜Ｇ１ｄ、Ｇ１１ａ、Ｇ１１ｂ、Ｇ１２ａ、Ｇ１２ｂ  読み出しゲート
Ｏ、Ｏ１、Ｏ２、Ｏ１１〜Ｏ１３  中心
ＳＭ  遮光マスク
１００、１１０、２００、２１０、３００、３１０  画素セル
【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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