(57)【要約】【課題】解像度低下が無く、しかも偽色も発生しない単板式固体撮像素子を提供する。【解決手段】受光面上に複数の光電変換素子が二次元アレイ状に配列形成された半導体基板１１と、各光電変換素子が受光量に応じて検出した信号を夫々読み出す信号読出手段とを備える単板式固体撮像素子において、受光面の上層に、三原色のうちの第１色光を透過し第２色光及び第３色光を遮断する第１状態と第１色光及び第２色光及び第３色光を透過する第２状態とが切り替えられる第１液晶層２３Ｒと、第２色光を透過し第１色光及び第３色光を遮断する第１状態と第１色光及び第２色光及び第３色光を透過する第２状態とが切り替えられる第２液晶層２３Ｇと、第３色光を透過し第１色光及び第２色光を遮断する第１状態と第１色光及び第２色光及び第３色光を透過する第２状態とが切り替えられる第３液晶層２３Ｂとを積層して構成する。【選択図】図２
2008016481.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
受光面に複数の光電変換素子が二次元アレイ状に配列形成された半導体基板と、前記の各光電変換素子が受光量に応じて検出した信号を夫々読み出す信号読出手段とを備える単板式固体撮像素子において、前記受光面の上層に、三原色のうちの第１色光を透過し第２色光及び第３色光を遮断する第１状態と第１色光及び第２色光及び第３色光を透過する第２状態とが切り替えられる第１液晶層と、第２色光を透過し第１色光及び第３色光を遮断する第１状態と第１色光及び第２色光及び第３色光を透過する第２状態とが切り替えられる第２液晶層と、第３色光を透過し第１色光及び第２色光を遮断する第１状態と第１色光及び第２色光及び第３色光を透過する第２状態とが切り替えられる第３液晶層とを積層したことを特徴とする単板式固体撮像素子。
【請求項２】
請求項１記載の単板式固体撮像素子を搭載したデジタルカメラであって、前記第１液晶層を前記第１状態にし前記第２液晶層及び前記第３液晶層を夫々前記第２状態にして所定時間の撮像を行う第１撮像処理と、該第１撮像処理後に前記各光電変換素子から信号を読み出す第１読出処理と、前記第２液晶層を前記第１状態にし前記第１液晶層及び前記第３液晶層を夫々前記第２状態にして所定時間の撮像を行う第２撮像処理と、該第２撮像処理後に前記各光電変換素子から信号を読み出す第２読出処理と、前記第３液晶層を前記第１状態にし前記第１液晶層及び前記第２液晶層を夫々前記第２状態にして所定時間の撮像を行う第３撮像処理と、該第３撮像処理後に前記各光電変換素子から信号を読み出す第３読出処理とを連続して行う制御手段を備えることを特徴とするデジタルカメラ。
【請求項３】
前記制御手段は、前記第１，第２，第３読出処理の期間に前記第１，第２，第３液晶層を夫々前記第１の状態にすることを特徴とする請求項２に記載のデジタルカメラ。
【請求項４】
前記制御手段は、前記第１，第２，第３読出処理によって夫々読み出した第１色撮像画像データ，第２色撮像画像データ，第３色撮像画像データを合成して被写体のカラー画像データを生成することを特徴とする請求項２または請求項３に記載のデジタルカメラ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はカラー画像を撮像する単板式固体撮像素子及びデジタルカメラに係り、特に、偽色が発生せずしかも解像度低下も起こさない単板式固体撮像素子及びデジタルカメラに関する。
【背景技術】
【０００２】
例えば原色系カラーフィルタを用いた従来の単板式固体撮像素子では、半導体基板上に配列形成された各フォトダイオード（光電変換素子）上に、赤色（Ｒ），緑色（Ｇ），青色（Ｂ）のうちの１色のカラーフィルタが積層され、赤色フィルタが積層されたフォトダイオード（Ｒ画素），緑色フィルタが積層されたフォトダイオード（Ｇ画素），青色フィルタが積層されたフォトダイオード（Ｂ画素）が、夫々、半導体基板表面にモザイク状かつ周期的に配列される。
【０００３】
尚、従来技術に関連するものとして下記特許文献１記載のものがある。
【０００４】
【特許文献１】特開２００６―１６３３１６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
被写体のカラー画像を撮像する場合、固体撮像素子の各画素位置における赤色信号成分，緑色信号成分，青色信号成分の３つの成分が必要になる。しかし、例えばＲ画素は赤色光の受光量に応じた信号を検出するが、青色光や緑色光はＲ画素上に積層された赤色フィルタによってカットされるため受光されない。
【０００６】
このため、Ｒ画素位置における青色信号成分はこのＲ画素の周囲に設けられているＢ画素が検出した信号成分を補間演算することで求め、同様に緑色信号成分はこのＲ画素の周囲に設けられているＧ画素が検出した信号成分を補間演算することで求めている。
【０００７】
この様に、単板式の固体撮像素子では、１画素でＲ，Ｇ，Ｂの３色の色信号が得られないため、半導体基板上に設けられている画素数分の解像度を得ることができないという問題や、被写体とは異なる色（偽色）が発生してしまうという問題がある。
【０００８】
本発明の目的は、解像度低下や偽色の発生を無くすことができる単板式固体撮像素子及びデジタルカメラを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明の単板式固体撮像素子は、受光面に複数の光電変換素子が二次元アレイ状に配列形成された半導体基板と、前記の各光電変換素子が受光量に応じて検出した信号を夫々読み出す信号読出手段とを備える単板式固体撮像素子において、前記受光面の上層に、三原色のうちの第１色光を透過し第２色光及び第３色光を遮断する第１状態と第１色光及び第２色光及び第３色光を透過する第２状態とが切り替えられる第１液晶層と、第２色光を透過し第１色光及び第３色光を遮断する第１状態と第１色光及び第２色光及び第３色光を透過する第２状態とが切り替えられる第２液晶層と、第３色光を透過し第１色光及び第２色光を遮断する第１状態と第１色光及び第２色光及び第３色光を透過する第２状態とが切り替えられる第３液晶層とを積層したことを特徴とする。
【００１０】
本発明のデジタルカメラは、上記記載の単板式固体撮像素子を搭載したデジタルカメラであって、前記第１液晶層を前記第１状態にし前記第２液晶層及び前記第３液晶層を夫々前記第２状態にして所定時間の撮像を行う第１撮像処理と、該第１撮像処理後に前記各光電変換素子から信号を読み出す第１読出処理と、前記第２液晶層を前記第１状態にし前記第１液晶層及び前記第３液晶層を夫々前記第２状態にして所定時間の撮像を行う第２撮像処理と、該第２撮像処理後に前記各光電変換素子から信号を読み出す第２読出処理と、前記第３液晶層を前記第１状態にし前記第１液晶層及び前記第２液晶層を夫々前記第２状態にして所定時間の撮像を行う第３撮像処理と、該第３撮像処理後に前記各光電変換素子から信号を読み出す第３読出処理とを連続して行う制御手段を備えることを特徴とする。
【００１１】
本発明のデジタルカメラの前記制御手段は、前記第１，第２，第３読出処理の期間に前記第１，第２，第３液晶層を夫々前記第１の状態にすることを特徴とする。
【００１２】
本発明のデジタルカメラの前記制御手段は、前記第１，第２，第３読出処理によって夫々読み出した第１色撮像画像データ，第２色撮像画像データ，第３色撮像画像データを合成して被写体のカラー画像データを生成することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、若干の時間差は生じるが１画素で第１色，第２色，第３色の画像データを撮像するため、解像度の低下が無く、また偽色の無いカラー画像を撮像することが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
以下、本発明の一実施形態について、図面を参照して説明する。
【００１５】
図１は、本発明の一実施形態に係る単板式固体撮像素子の説明図である。この単板式固体撮像素子１０は、半導体基板１１の受光面１２上に二次元アレイ状に配列形成されたフォトダイオード（光電変換素子：画素）１３を備える。
【００１６】
本実施形態では、偶数行目の画素行に対して奇数行目の画素行が１／２ピッチづつずらして形成されており、水平方向に隣接する画素１３間に形成される垂直電荷転送路（ＶＣＣＤ）１４が垂直方向に蛇行して形成されている。
【００１７】
半導体基板１１の下辺部には、各垂直電荷転送路１４の端部に接続され水平方向に延びる水平電荷転送路（ＨＣＣＤ）１５が設けられており、水平電荷転送路１５の出力段に、出力アンプ１６が設けられている。
【００１８】
斯かる単板式固体撮像素子では、各フォトダイオード（画素）１３が検出した信号電荷が垂直電荷転送路１４に読み出されて垂直方向に転送され、次に水平電荷転送路１５によって出力アンプ１６方向に転送され、出力アンプ１６は、転送されてきた各信号電荷の電荷量に応じた電圧値信号を、画像信号として出力する。
【００１９】
尚、図示する例の単板式固体撮像素子は、信号読出手段としてＣＣＤ（電荷結合素子）を用いた固体撮像素子であるが、信号読出手段としてトランジスタ回路を用いたＣＭＯＳ型等の固体撮像素子にも本実施形態を適用可能である。また、図１では、所謂ハニカム画素配置の固体撮像素子を例に説明したが、画素配置が正方格子配列の固体撮像素子にも本実施形態を適用できる。
【００２０】
図２は、図１に示す単板式固体撮像素子の略３画素分に渡る断面模式図である。半導体基板１１の表面部には、図示しないフォトダイオードや垂直電荷転送路の埋め込みチャネルなどが形成されている。この半導体基板１１の最表面はゲート絶縁膜で覆われ、その上に、垂直電荷転送路１４を構成する転送電極膜１４ａが設けられ、その上に、フォトダイオード上に開口２１ａを有する遮光膜２１が設けられる。
【００２１】
遮光膜２１の上には透明な平坦化層２２が積層されて表面が平坦化され、その上に、３層の液晶層２３Ｂ，２３Ｇ，２３Ｒが積層される。液晶層２３Ｂは、電圧印加オン時に青色光だけを透過し、電圧印加オフ時には透明な状態（入射光を全て透過する状態）になる。液晶層２３Ｇは、電圧印加オン時に緑色光だけを透過し、電圧印加オフ時には透明な状態になる。液晶層２３Ｒは、電圧印加オン時に赤色光だけを透過し、電圧印加オフ時には透明な状態になる。
【００２２】
液晶層２３Ｂ，２３Ｇ，２３Ｒの各々は、例えば特開平１０―１０５３２号公報に記載されている様に、複屈折効果型（ＥＣＢ型）液晶の複屈折効果と、この液晶を挟む偏光板の偏光特性との組み合わせにより実現でき、夫々が厚さ１μｍ程度で形成される。
【００２３】
最上層の液晶層２３Ｒの表面には、遮光膜２１の開口２１ａ毎に、フォトダイオード表面部に集光点を持つマイクロレンズ２４が積層される。
【００２４】
斯かる構成の単板式固体撮像素子では、例えば図３に示す様に、液晶層２３Ｒの電圧印加をオンとし、液晶層２３Ｇ，２３Ｂの電圧印加をオフにすると、液晶層２３Ｒは赤色光を透過し、液晶層２３Ｇ，２３Ｂは両方とも透明になるため、入射光のうちの赤色光だけがフォトダイオードに達することになる。
【００２５】
同様に、液晶層２３Ｇの電圧印加をオンとし、液晶層２３Ｒ，２３Ｂの電圧印加をオフにすると、液晶層２３Ｇは緑色光を透過し、液晶層２３Ｒ，２３Ｂは両方とも透明になるため、入射光のうちの緑色光だけがフォトダイオードに達することになる。
【００２６】
また、液晶層２３Ｂの電圧印加をオンとし、液晶層２３Ｇ，２３Ｒの電圧印加をオフにすると、液晶層２３Ｂは青色光を透過し、液晶層２３Ｇ，２３Ｒは両方とも透明になるため、入射光のうちの青色光だけがフォトダイオードに達することになる。
【００２７】
液晶層２３Ｒ，２３Ｇ，２３Ｂの全ての電圧印加をオン状態にすると、図４に示す様に、入射光はフォトダイオードに到達しない（あるいは、大きく減衰される。）。
【００２８】
図５は、上述した本実施形態に係る単板式固体撮像素子を搭載したデジタルカメラで被写体画像を撮像するときの動作説明図である。通常のＣＣＤ型固体撮像素子と同様に、シャッタボタンが半押しされたときに露光時間の算出や自動焦点合わせが行われ、シャッタボタンが全押しされたとき撮影が行われる。このとき、本実施形態のデジタルカメラでは、図示しない制御部が連続して３回の撮影を行う。
【００２９】
先ず最初に、液晶層２３Ｒへの電圧印加をオン、液晶層２３Ｇ，２３Ｂへの電圧印加をオフとした状態を所定時間継続して第１回目の露光（撮像）を行う。これにより、単板式固体撮像素子の受光面に設けられた全フォトダイオード１３が赤色光を受光し、被写体の赤色画像が撮像される。
【００３０】
この所定時間経過後に、３つの液晶層２３Ｒ，２３Ｇ，２３Ｂへの電圧印加を全てオン状態にすると、図４で説明した様に、３つの液晶層２３Ｒ，２３Ｇ，２３Ｂによって入射光が遮蔽される。この遮蔽中に、各フォトダイオード１３の蓄積電荷を垂直電荷転送路１４，水平電荷転送路１５と転送し、出力アンプ１６から赤色撮像画像データを読み出し、図示しないフレームメモリに格納する。
【００３１】
この読み出し転送動作が終了した後は、続けて、液晶層２３Ｇへの電圧印加をオン、液晶層２３Ｒ，２３Ｂへの電圧印加をオフとした状態を、上記と同じ所定時間だけ継続して第２回目の露光を行う。これにより、単板式固体撮像素子の受光面に設けられた全フォトダイオード１３が今度は緑色光を受光し、被写体の緑色画像が撮像される。
【００３２】
この第２回目の露光後には、上記と同様にして緑色撮像画像データの固体撮像素子からの読み出しを行い、緑色撮像画像データをフレームメモリに格納する。この読み出し転送動作が終了した後は、続けて、液晶層２３Ｂへの電圧印加をオン、液晶層２３Ｒ，２３Ｇへの電圧印加をオフとした状態を、上記と同じ所定時間だけ継続して第３回目の露光を行う。これにより、単板式固体撮像素子の受光面に設けられた全フォトダイオード１３が今度は青色光を受光し、被写体の青色画像が撮像される。
【００３３】
この第３回目の露光後には、上記と同様にして青色撮像画像データを固体撮像素子から読み出し、フレームメモリに格納する。
【００３４】
その後、デジタルカメラの図示しない制御部は、フレームメモリ上の赤色撮像画像データと緑色撮像画像データと青色撮像画像データとを読み出し、ホワイトバランス補正処理やガンマ補正処理，ＲＧＢ／ＹＣ変換処理等を行い、ＪＰＥＧ画像データ等を生成して外部メモリ媒体に格納する。
【００３５】
このとき、本実施形態の単板式固体撮像素子では、１画素でＲ，Ｇ，Ｂの３色の画像データが得られるため、〔発明が解決しようとする課題〕で述べた様な補間演算処理は必要とせず、高解像度の撮像画像データを得ることができる。また、１画素でＲ，Ｇ，Ｂの３色の画像データが得られるため、偽色も発生しない。
【００３６】
また、本実施形態の単板式固体撮像素子では、カラーフィルタをモザイク状に配列した単板式固体撮像素子に比べて欠陥画素補正が容易であり、不良となる欠陥画素パターンを減らすことができ、固体撮像素子の歩留まりを向上させることができる。
【産業上の利用可能性】
【００３７】
本発明に係る単板式固体撮像素子は、１画素でＲ，Ｇ，Ｂの３色の画像データを得ることができるため、偽色の発生が無く解像度の高いカラー画像を撮像するデジタルカメラに搭載すると有用である。
【図面の簡単な説明】
【００３８】
【図１】本発明の一実施形態に係る単板式固体撮像素子の表面模式図である。
【図２】図１に示す単板式固体撮像素子の略３画素に渡る要部断面模式図である。
【図３】図２に示す液晶層の動作説明図である。
【図４】図２に示す液晶層が入射光を遮光する状態を説明する図である。
【図５】本発明の一実施形態に係るデジタルカメラの動作説明図である。
【符号の説明】
【００３９】
１０  単板式固体撮像素子
１１  半導体基板
１２  受光面
１３  フォトダイオード（画素）
１４  垂直電荷転送路（ＶＣＣＤ）
１４ａ  垂直電荷転送電極膜
１５  水平電荷転送路（ＨＣＣＤ）
１６  出力アンプ
２１  遮光膜
２１ａ  遮光膜開口
２２  平坦化層
２３Ｒ，２３Ｇ，２３Ｂ  液晶層
２４  マイクロレンズ
【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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