(57)【要約】【課題】偽色や色モアレの発生を抑えつつ、高解像度かつ広ダイナミックレンジの画像信号の取得を可能とする固体撮像素子を提供する。【解決手段】本発明の固体撮像素子は、半導体基板表面に行方向（矢印Ｘで示す方向）とこれに直交する列方向（矢印Ｙで示す方向）に配設された複数の光電変換領域１１１〜１５７、垂直転送部２０１〜２０８、水平転送部３００、及び出力部４００を含む。光電変換領域１１１〜１５７は、相対的に広い受光面積を有する主領域ｍと相対的に狭い受光面積を有する副領域ｓに分割され、それぞれ所定の分光感度の光に対応する信号電荷を発生し、蓄積する。光電変換領域１１１〜１５７の内の一部は、主領域ｍと副領域ｓとでそれぞれ異なる色の光に対応する。【選択図】図１
2004221265.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体基板表面に行方向とこれに直交する列方向に配設された複数の光電変換領域を含む固体撮像素子であって、
前記光電変換領域の各々は、相対的に広い受光面積を有する主領域と相対的に狭い受光面積を有する副領域とを含み、
前記複数の光電変換領域の内の一部の光電変換領域は、前記主領域と前記副領域とでそれぞれ異なる分光感度の光電変換信号を出力するものである固体撮像素子。
【請求項２】
半導体基板表面に行方向とこれに直交する列方向に配設された複数の光電変換領域を含む固体撮像素子であって、
前記光電変換領域の各々は、相対的に広い受光面積を有する主領域と相対的に狭い受光面積を有する副領域とを含み、
前記光電変換領域は、前記主領域及び前記副領域ともに第１の分光感度の光電変換信号を出力する第１の種類の変換領域と、前記主領域が第２の分光感度の光電変換信号を出力し、前記副領域が第３の分光感度の光電変換信号を出力する第２の種類の変換領域と、前記主領域が第３の分光感度の光電変換信号を出力し、前記副領域が第２の分光感度の光電変換信号を出力する第３の種類の変換領域とを含む固体撮像素子。
【請求項３】
半導体基板表面に行方向とこれに直交する列方向に配設された複数の光電変換領域を含む固体撮像素子であって、
前記光電変換領域の各々は、相対的に広い受光面積を有する主領域と相対的に狭い受光面積を有する副領域とを含み、
前記光電変換領域は、前記主領域及び前記副領域ともに第１の分光感度の信号電荷を蓄積する第１の種類の変換領域と、前記主領域が第２の分光感度の信号電荷を蓄積し、前記副領域が第３の分光感度の信号電荷を蓄積する第２の種類の変換領域と、前記主領域が第３の分光感度の信号電荷を蓄積し、前記副領域が第２の分光感度の信号電荷を蓄積する第３の種類の変換領域とを含み、
前記光電変換領域からの信号電荷を、前記主領域と前記副領域独立に前記列方向に転送する垂直転送部と、
前記垂直転送部からの信号電荷を、前記行方向に転送する水平転送部と、
前記水平転送部によって転送される信号電荷に応じた信号を出力する出力部とを有する固体撮像素子。
【請求項４】
請求項２又は３記載の固体撮像素子であって、
前記第１の種類の変換領域は、行方向とこれに直交する列方向に正方格子状に配列されており、
前記第２の種類の変換領域及び第３の種類の変換領域は、千鳥状に、かつ全体として行方向とこれに直交する列方向に正方格子状に配列されており、
前記第１の種類の変換領域と、前記第２の種類の変換領域及び前記第３の種類の変換領域とは、同一の配列ピッチで、かつ、互いに配列ピッチの１／２だけ行方向及び列方向にずれた位置に配列されている固体撮像素子。
【請求項５】
請求項２ないし４のいずれか１項記載の固体撮像素子であって、前記第１〜第３の分光感度は、それぞれ赤色、青色、又は緑色の分光感度のいずれかである固体撮像素子。
【請求項６】
請求項５記載の固体撮像素子であって、
前記第１の分光感度は、緑色の分光感度である固体撮像素子。
【請求項７】
請求項１ないし６のいずれか１項記載の固体撮像素子であって、
前記分光感度は、前記主領域及び副領域上方に配置したカラーフィルタによって決定されるものである固体撮像素子。
【請求項８】
請求項１ないし７のいずれか１項記載の固体撮像素子を搭載したデジタルカメラ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体基板表面に行方向とこれに直交する列方向に配設された複数の光電変換領域を含む固体撮像素子、及び固体撮像素子を用いたデジタルカメラに関する。
【０００２】
【従来の技術】
デジタルカメラに利用される固体撮像素子は、フォトダイオード等の光電変換素子によって画像信号に対応する電荷を検出するため、一般にダイナミックレンジを広げるのが困難である。そこで、広ダイナミックレンジの画像を得るため、高感度撮影と低感度撮影を短時間で連続して行い、取得した２枚分の画像信号を合成するという処理が採用されている（例えば、特許文献１参照）。しかし、合成する画像信号は、同時刻の画像から取得した画像信号でないため、動きのある被写体には不自然な画像になるという問題がある。
【０００３】
別の解決手段は、固体撮像素子に相対的に高感度の光電変換素子と、相対的に低感度の光電変換素子を有する固体撮像素子を利用することである（例えば、特許文献２参照）。しかし、空間的に離れた位置に配設した光電変換素子を高感度画素と低感度画素として利用するため、相対的に解像度が低下するという問題がある。
【０００４】
一方、カラー画像情報を得るには少なくとも３色の分光感度の画像信号が必要であるが、固体撮像素子でカラー画像情報を得る際には、それぞれの光電変換素子を、少なくとも３色の分光感度の内のいずれかに対応させている。したがって、１つの固体撮像素子でカラー画像情報を得る場合には、各分光感度の画像信号を２次元的に異なる場所から得ることになり、各色のナイキストドメイン（空間周波数分布）が一致しないことになる。その結果、被写体によってはいわゆる偽色や色モアレと呼ばれる現象を引き起こし、撮影した画像の画質を劣化させるという問題がある。
【０００５】
【特許文献１】
特開２００１−９４９９９号公報
【特許文献２】
特開２００１−８１０４号公報
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、上記事情に鑑みなされたもので、偽色や色モアレの発生を抑えつつ、高解像度かつ広ダイナミックレンジの画像信号の取得を可能とする固体撮像素子を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明の固体撮像素子は、半導体基板表面に行方向とこれに直交する列方向に配設された複数の光電変換領域を含む固体撮像素子であって、前記光電変換領域の各々は、相対的に広い受光面積を有する主領域と相対的に狭い受光面積を有する副領域とを含み、前記複数の光電変換領域の内の一部の光電変換領域は、前記主領域と前記副領域とでそれぞれ異なる分光感度の光電変換信号を出力するものである。
【０００８】
本発明の固体撮像素子は、半導体基板表面に行方向とこれに直交する列方向に配設された複数の光電変換領域を含む固体撮像素子であって、前記光電変換領域の各々は、相対的に広い受光面積を有する主領域と相対的に狭い受光面積を有する副領域とを含み、前記光電変換領域は、前記主領域及び前記副領域ともに第１の分光感度の光電変換信号を出力する第１の種類の変換領域と、前記主領域が第２の分光感度の光電変換信号を出力し、前記副領域が第３の分光感度の光電変換信号を出力する第２の種類の変換領域と、前記主領域が第３の分光感度の光電変換信号を出力し、前記副領域が第２の分光感度の光電変換信号を出力する第３の種類の変換領域とを含むものである。
【０００９】
本発明の固体撮像素子は、半導体基板表面に行方向とこれに直交する列方向に配設された複数の光電変換領域を含む固体撮像素子であって、前記光電変換領域の各々は、相対的に広い受光面積を有する主領域と相対的に狭い受光面積を有する副領域とを含み、前記光電変換領域は、前記主領域及び前記副領域ともに第１の分光感度の信号電荷を蓄積する第１の種類の変換領域と、前記主領域が第２の分光感度の信号電荷を蓄積し、前記副領域が第３の分光感度の信号電荷を蓄積する第２の種類の変換領域と、前記主領域が第３の分光感度の信号電荷を蓄積し、前記副領域が第２の分光感度の信号電荷を蓄積する第３の種類の変換領域とを含み、前記光電変換領域からの信号電荷を、前記主領域と前記副領域独立に前記列方向に転送する垂直転送部と、前記垂直転送部からの信号電荷を、前記行方向に転送する水平転送部と、前記水平転送部によって転送される信号電荷に応じた信号を出力する出力部とを有するものである。
【００１０】
本発明の固体撮像素子における前記第１の種類の変換領域は、行方向とこれに直交する列方向に正方格子状に配列されており、前記第２の種類の変換領域及び第３の種類の変換領域は、千鳥状に、かつ全体として行方向とこれに直交する列方向に正方格子状に配列されており、前記第１の種類の変換領域と、前記第２の種類の変換領域及び前記第３の種類の変換領域とは、同一の配列ピッチで、かつ、互いに配列ピッチの１／２だけ行方向及び列方向にずれた位置に配列されているものを含む。
【００１１】
本発明の固体撮像素子における前記第１〜第３の分光感度は、それぞれ赤色、青色、又は緑色の分光感度のいずれかであるものを含む。
【００１２】
本発明の固体撮像素子における前記第１の分光感度は、緑色の分光感度であるものを含む。
【００１３】
本発明の固体撮像素子における前記分光感度は、前記主領域及び副領域上方に配置したカラーフィルタによって決定されるものを含む。
【００１４】
本発明のデジタルカメラは、上記した固体撮像素子を搭載したものである。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について、図面を用いて説明する。図３は、本発明実施の形態のデジタルカメラの概略構成を示す図である。図３のデジタルカメラは、レンズ部１、固体撮像素子２、駆動部３を含む撮像部、アナログ信号処理部４、Ａ／Ｄ変換部５、デジタル信号処理部６、出力用メモリ７、及び圧縮伸張処理部８を含む信号処理部、メディアインタフェース１０及び画像モニタ１１を含む出力部、モード切換えスイッチ、レリーズボタン等を含む操作部１２、並びにデジタルカメラ全体を制御するシステム制御部９を含んで構成される。
【００１６】
撮像部において、レンズ部１を通った光は、固体撮像素子２の上に焦点を結び、撮影画像信号が取得される。撮像画像信号の取得に際しては、駆動部３を介してレンズ部１及び図示しない絞りの制御が行われる。固体撮像素子２は、レリーズボタン（図示せず）の操作によるレリーズスイッチ（図示せず）オンを契機として、所定のタイミングで、タイミングジェネレータ（図示せず）を含む駆動部３によって駆動され、撮影画像信号を出力する。固体撮像素子２は、半導体基板表面に行方向とこれに直交する列方向に配設された複数の光電変換領域を有し、光電変換領域の各々は、相対的に広い受光面積を有する主領域と相対的に狭い受光面積を有する副領域とを含み、複数の光電変換領域の内の一部の光電変換領域は、主領域と前記副領域とでそれぞれ異なる分光感度の光電変換信号を出力するものである。
【００１７】
撮影画像信号は、アナログ信号処理部４によってアナログ信号処理された後、Ａ／Ｄ変換部５でデジタル信号に変換され、デジタル信号処理部６に送られる。デジタル信号処理部６では、操作部１２によって設定された動作モードに応じたデジタル信号処理を行い、得られた画像データは、出力用メモリ７に一時的に記憶される。
【００１８】
デジタル信号処理部６が行う処理には、ホワイトバランス調整、ガンマ補正処理、画像合成処理、同時化処理、Ｙ／Ｃ処理等が含まれる。デジタル画像処理を経た画像データに基づく画像を、画像モニタ１１に表示する（スルー画像表示）場合は、出力用メモリ７の内容を読み出して画像モニタ１１に送られる。出力用メモリ７の画像データは、圧縮伸張処理部８で圧縮処理された後、メディアインタフェース１０を経て、図示しないメモリカード等の記録メディアに記録される。画像モニタ１１には、記録メディアの画像データに基づく画像も表示可能である。
【００１９】
システム制御部９は、撮影動作を含むデジタルカメラ全体の制御を行う。システム制御部９は、具体的には所定のプログラムによって動作するプロセッサを主体に構成され、内部にプログラム、動作に必要な各種データを記憶するメモリ、及びワークメモリを備える。
【００２０】
操作部１２は、デジタルカメラ使用時の各種操作を行うもので、撮影時の撮影方法、撮影条件、撮影レビュー機能のオンオフ及びメディアに対する記録モードの設定等を行う。操作部１２は、それぞれの機能に対応する操作部材を設けてもよいが、画像モニタ１１の表示と連動して操作部材を共用してもよい。
【００２１】
図１は、本発明の実施の形態の固体撮像素子の概略構成を示す図である。図１は、いわゆるハニカム構造の固体撮像素子の部分拡大平面図であって、半導体基板表面に行方向（矢印Ｘで示す方向）とこれに直交する列方向（矢印Ｙで示す方向）に配設された複数の光電変換領域１１１〜１５７（図では一部のみに番号を付してある）、垂直転送部２０１〜２０８、水平転送部３００、及び出力部４００を含む。複数の光電変換領域１１１〜１５７の内の奇数列のものは、偶数列のものに対して光電変換領域同士の列方向ピッチの略１／２だけ列方向にずれており、また、奇数行の光電変換領域は、偶数行の光電変換領域対して光電変換領域同士の行方向ピッチの略１／２だけ行方向にずれて配置される。なお、図１では、５行８列の光電変換領域を示してあるが、実際には、さらに多くの光電変換領域が設けられる。
【００２２】
光電変換領域１１１〜１５７は、入射光量に対応した信号電荷を発生し、蓄積するもので、例えばフォトダイオードである。光電変換領域１１１〜１５７は、相対的に広い受光面積を有する主領域ｍと相対的に狭い受光面積を有する副領域ｓに分割され（図１では、光電変換領域１５１のみについて符号を付してある。）、それぞれ所定の分光感度の光に対応する信号電荷を発生し、蓄積する。図１の固体撮像素子においては、赤（Ｒ又はｒで示す。）、緑（Ｇ又はｇで示す。）、又は青（Ｂ又はｂで示す。）のフィルタ（図示せず）が、それぞれの光電変換領域１１１〜１５７の上方に設けられ、それぞれの色の光に対応する信号電荷を発生し、蓄積する。なお、ＲＧＢは、主領域ｍのフィルタを示し、ｒｇｂは、副領域ｓのフィルタを示す。主領域ｍは、副領域ｓに対して相対的に広い受光面積を有するので、入射光量に対して相対的に高感度で信号電荷を発生し、蓄積する。
【００２３】
光電変換領域１１１〜１５７の内の一部は、主領域ｍと副領域ｓとでそれぞれ異なる色の光に対応する。図１においては、主領域が赤で副領域が青のもの（例えば、光電変換領域１２２）、及び主領域が青で副領域が赤のもの（例えば、光電変換領域１４２）が、偶数行に交互に配置されている。奇数行のものは、主領域及び副領域ともに緑である（例えば、光電変換領域１１１）。列方向に捕らえた場合、奇数行のものは、主領域及び副領域ともに緑であり、偶数行のものは、主領域が赤で副領域が青のものと主領域が青で副領域が赤のものが交互に配置されている。詳細は後述するように、主領域ｍの信号電荷と副領域ｓの信号電荷は、それぞれ独立に垂直転送部に読み出され、転送される。
【００２４】
垂直転送部２０１〜２０８は、光電変換領域１１１〜１５７からの信号電荷を読み出し、列方向に転送するものであり、光電変換領域１１１〜１５７の各列に対応してその側方に設けられる。水平転送部３００は、複数の垂直転送部２０１〜２０８からの信号電荷が転送され、転送された信号電荷を行方向に転送するものである。出力部４００は、転送された信号電荷量に応じた電圧信号を出力するものである。
【００２５】
図２は、図１の固体撮像素子の光電変換領域１４２、１４４、１３３周辺のさらに詳細な構成を示す図である。垂直転送部２０２、２０３、２０４は、半導体基板に形成された素子分離領域５０２、５０３、５０４、及び光電変換領域１４２、１４４、１３３によって区分される垂直転送チャネル（図示せず）と、その情報に形成された垂直転送電極Ｖ１〜Ｖ４を含んで構成される。垂直転送電極Ｖ１〜Ｖ４に印加する電圧を制御することにより、光電変換領域から信号電荷を読み出し、読み出した信号電荷を転送することができる。図２における矢印は、光電変換領域１４２、１４４、１３３から電荷転送部２０２、２０３、２０４への信号電荷読み出し方向を示す。
【００２６】
光電変換領域１４２、１４４、１３３は、素子分離領域６４２、６４４、６３３によって分割され、相対的に広い受光面積を有する主領域ｍと相対的に狭い受光面積を有する副領域ｓが形成されている。したがって、主領域ｍ及び副領域ｓは、それぞれの上方に配置されるフィルタの色に対応する光に応じた信号電荷を発生し、蓄積することになる。
【００２７】
次に、図１、及び図２に示した固体撮像素子の駆動について説明する。被写界からの入射光の強度に応じて光電変換領域１１１〜１５７の主領域ｍ及び副領域ｓには、それぞれの色フィルタに対応する信号電荷が蓄積される。次いで、垂直転送電極Ｖ１及びＶ３に読み出しパルスを印加することによって、主領域ｍの信号電荷が垂直転送部２０１〜２０８に読み出されて転送され、さらに水平転送部３００によって出力部４００に転送される。そして、転送された信号電荷に対応する電圧信号が出力される。主領域ｍの信号電荷の出力が終了すると、垂直転送電極Ｖ２及びＶ４に読み出しパルスを印加することによって、副領域ｓの信号電荷が垂直転送部２０１〜２０８に読み出され、同様に転送されて、出力部４００から対応する電圧信号が出力される。
【００２８】
以上のように、同じ光電変換領域から複数色の信号が出力されるため、固体撮像素子から出力される画像信号に基づいて同時化処理を行う場合、多くの光電変換領域の信号を利用できるので、偽色の発生を抑えることができる。また、緑の色について、高感度の画像信号と低感度の画像信号が得られるので、広ダイナミックレンジの画像信号を生成することができる。さらに、２つの光電変換領域の信号のみでカラー画像信号を生成できるので、偽色発生を低減したカラー画像信号を高速に生成することができる。
【００２９】
図１及び図２に示す固体撮像素子は、いわゆるハニカム構造の固体撮像素子であるが、光電変換領域を正方格子状に配列したものにも適用可能である。また、光電変換領域で発生した信号電荷を電荷転送部を利用して転送するＣＣＤ型固体撮像素子を例に説明したが、信号電荷をそのまま電圧信号に変換して取り出すＭＯＳ型固体撮像素子に適用することも可能である。
【００３０】
また、光電変換領域として、主領域及び副領域ともに第１の分光感度の信号電荷を蓄積する第１の種類の変換領域と、主領域が第２の分光感度の信号電荷を蓄積し、副領域が第３の分光感度の信号電荷を蓄積する第２の種類の変換領域と、主領域が第３の分光感度の信号電荷を蓄積し、副領域が第２の分光感度の信号電荷を蓄積する第３の種類の変換領域とを設けたが、光電変換領域の分光感度の設定は任意であり、一部の光電変換領域が、主領域と副領域とでそれぞれ異なる分光感度の光電変換信号を出力するものであればよい。さらに，第１の分光感度として緑色を例にしたが、この色の選択も任意である。
【００３１】
【発明の効果】
以上の説明から明らかなように、本発明によれば、偽色や色モアレの発生を抑えつつ、高解像度かつ広ダイナミックレンジの画像信号の取得を可能とする固体撮像素子が提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態の固体撮像素子の概略構成を示す図
【図２】図１の固体撮像素子の光電変換領域周辺のさらに詳細な構成を示す図
【図３】本発明の実施の形態のデジタルカメラの概略構成を示す図
【符号の説明】
１・・・レンズ部
２・・・固体撮像素子
３・・・駆動部
４・・・アナログ信号処理部
５・・・Ａ／Ｄ変換部
６・・・デジタル信号処理部
７・・・出力用メモリ
８・・・圧縮伸張処理部
９・・・システム制御部
１０・・・メディアインタフェース
１１・・・画像モニタ
１２・・・操作部
１１１〜１５７・・・光電変換領域
２０１〜２０８・・・垂直転送部
３００・・・水平転送部
４００・・・出力部
５０２、５０３、５０４・・・素子分離領域
６４２、６４４、６３３・・・素子分離領域
Ｖ１〜Ｖ４・・・垂直転送電極
ｍ・・・主領域
ｓ・・・副領域
【図１】
2004221265.tif 000003
【図２】
2004221265.tif 000004
【図３】
2004221265.tif 000005