(57)【要約】本発明は、広いダイナミックレンジと良好な色再現性および解像度を有する画素アレイならびに画素アレイを用いたイメージセンサを開示する。画素アレイは、複数の第１型フォトダイオードと、複数の第２型フォトダイオードと、複数の映像信号変換回路とを備える。複数の第２型フォトダイオードは、２次元的に配列された第１型フォトダイオードの間に配置される。複数の映像信号変換回路は、第１型フォトダイオード及び第２型フォトダイオードの間に設置され、第１型フォトダイオード及び第２型フォトダイオードで検出された映像信号を処理する。第１型フォトダイオードの面積は、第２型フォトダイオードの面積に比べて広い。
2010531540.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
２次元的に配列された複数の第１型フォトダイオードと、
前記第１型フォトダイオードの間に配置された複数の第２型フォトダイオードと、
前記第１型フォトダイオード及び前記第２型フォトダイオードの間に設置され、前記第１型フォトダイオード及び前記第２型フォトダイオードで検出された映像信号を電気信号に変換する複数の映像信号変換回路とを備え、
前記第１型フォトダイオードの面積は、前記第２型フォトダイオードの面積に比べて広いことを特徴とする、広いダイナミックレンジを備えた画素アレイ。
【請求項２】
前記第１型フォトダイオードは八角形であり、前記第２型フォトダイオードは四角形であることを特徴とする請求項１に記載のダイナミックレンジが広い画素アレイ。
【請求項３】
２次元的に配列された複数の第１型フォトダイオードと、
前記第１型フォトダイオードの間に配置された複数の第２型フォトダイオードと、
前記第１型フォトダイオード及び前記第２フォトダイオードの間に設置され、前記第１型フォトダイオード及び前記第２型フォトダイオードで検出された映像信号を電気信号に変換する複数の映像信号変換回路とを備え、
前記第１型フォトダイオードの面積は、前記第２型フォトダイオードの面積に比べて広く、
前記第１型フォトダイオード及び前記第２型フォトダイオードの上部に、Ｒフィルタ、Ｇフィルタ及びＢフィルタが設置されることを特徴とする、あるダイナミックレンジを備えた画素アレイ。
【請求項４】
前記第１型フォトダイオードの上部には、水平に配列した複数のＧフィルタを有する複数の１Ｇ水平フィルタラインが配置され、交互に配列した複数のＲフィルタ及びＢフィルタを有する複数の１ＲＢ水平フィルタラインが配置され、
前記第２型フォトダイオードの上部には、水平に配列した複数のＧフィルタを有する複数の２Ｇ水平フィルタラインが配置され、水平に交互に配列した複数のＲフィルタ及びＢフィルタを有する複数の２ＲＢ水平フィルタラインが配置され、
前記複数の１Ｇ水平フィルタライン及び前記複数の１ＲＢ水平フィルタラインは、垂直方向に交互に配列され、
前記複数の２Ｇ水平フィルタライン及び前記複数の１Ｇ水平フィルタラインは、仮想の同一ライン上に配列され、
前記複数の２ＲＢ水平フィルタライン及び前記複数の２ＲＢ水平フィルタラインは、仮想の同一ライン上に配列されることを特徴とする請求項３に記載の画素アレイ。
【請求項５】
前記第１型フォトダイオードの上部には、水平に配列した複数のＧフィルタを有する複数の１Ｇ水平フィルタラインが配置され、水平に交互に配列した複数のＲフィルタ及びＢフィルタを有する複数の１ＲＢ水平フィルタラインが配置され、
前記第２型フォトダイオードの上部には、水平に配列した複数のＧフィルタを有する複数の２Ｇ水平フィルタラインが配置され、水平に交互に配列した複数のＲフィルタ及びＢフィルタを有する複数の２ＲＢ水平フィルタラインが配置され、
前記複数の１Ｇ水平フィルタライン及び前記複数の１ＲＢ水平フィルタラインは、垂直方向に交互に配列され、
前記複数の２Ｇ水平フィルタライン及び前記複数の１ＲＢ水平フィルタラインは、仮想の同一ライン上に配列され、
前記複数の２ＲＢ水平フィルタライン及び前記複数の２Ｇ水平フィルタラインは、仮想の同一ライン上に配列されることを特徴とする請求項３に記載の画素アレイ。
【請求項６】
２次元的に配列された複数の第１型フォトダイオードと、
前記第１型フォトダイオードの間に配置された複数の第２型フォトダイオードと、
前記第１型フォトダイオード及び前記第２フォトダイオードの間に設置され、前記第１型フォトダイオード及び前記第２型フォトダイオードで検出された映像信号を電気信号に変換する複数の映像信号変換回路とを備え、
前記第１型フォトダイオードの面積は、前記第２型フォトダイオードの面積に比べて広く、
前記第１型フォトダイオードの上部に、Ｒフィルタ、Ｇフィルタ及びＢフィルタが設置され、
前記第２型フォトダイオードの上部に、Ｃフィルタ、Ｍフィルタ及びＹフィルタのうちで少なくとも１つのカラーフィルタが設置されることを特徴とする、あるダイナミックレンジを備えた画素アレイ。
【請求項７】
前記第１型フォトダイオードの上部には、水平に配列した複数のＧフィルタを有する複数の１Ｇ水平フィルタラインが配置され、交互に配列した複数のＲフィルタ及びＢフィルタを有する複数の１ＲＢ水平フィルタラインが配置され、
前記第２型フォトダイオードの上部には、水平に配列した複数のＹフィルタを有する複数の２Ｙ水平フィルタラインが配置され、水平に交互に配列したＣフィルタ及びＭフィルタを有する複数の２ＣＭ水平フィルタラインが配置され、
前記複数の１Ｇ水平フィルタライン及び前記複数の１ＲＢ水平フィルタラインは、垂直方向に交互に配列され、
前記複数の２ＣＭ水平フィルタライン及び前記複数の１Ｇ水平フィルタラインは、仮想の同一ライン上に配列され、
前記複数の２Ｙ水平フィルタライン及び前記複数の１ＲＢ水平フィルタラインは、仮想の同一ライン上に配列されることを特徴とする請求項６に記載の画素アレイ。
【請求項８】
前記第１型フォトダイオードの上部には、水平に配列した複数のＧフィルタを有する複数の１Ｇ水平フィルタラインが配置され、水平に交互に配列した複数のＲフィルタ及びＢフィルタを有する複数の１ＲＢ水平フィルタラインが配置され、
前記第２型フォトダイオードの上部には、水平に配列した複数のＹフィルタを有する複数の２Ｙ水平フィルタラインが配置され、水平に交互に配列したＣフィルタ及びＭフィルタを有する複数の２ＣＭ水平フィルタラインが配置され、
前記複数の１Ｇ水平フィルタライン及び前記複数の１ＲＢ水平フィルタラインは、垂直方向に交互に配列され、
前記複数の２Ｙ水平フィルタライン及び前記複数の１Ｇ水平フィルタラインは、仮想の同一ライン上に配列され、
前記複数の２ＣＭ水平フィルタライン及び前記複数の１ＲＢ水平フィルタラインは、仮想の同一ライン上に配列されることを特徴とする請求項６に記載の画素アレイ。
【請求項９】
２次元的に配列された複数の第１型フォトダイオードと、
前記第１型フォトダイオードの間に配置された複数の第２型フォトダイオードと、
前記第１型フォトダイオード及び前記第２フォトダイオードの間に設置され、前記第１型フォトダイオード及び前記第２型フォトダイオードで検出された映像信号を電気信号に変換する複数の映像信号変換回路とを備え、
前記第１型フォトダイオードの面積は、前記第２型フォトダイオードの面積に比べて広く、
Ｒフィルタ、Ｇフィルタ及びＢフィルタの各波長範囲が少なくとも２つの範囲に区分され、
前記第１型フォトダイオードの上部には、Ｒフィルタがカバーする波長範囲の一部をカバーするＲ１フィルタ、Ｇフィルタがカバーする波長範囲の一部をカバーするＧ１フィルタ、及びＢフィルタがカバーする波長範囲の一部をカバーするＢ１フィルタが設置され、
前記第２型フォトダイオードの上部には、前記Ｒフィルタがカバーする波長範囲のうち前記Ｒ１フィルタがカバーする部分を除いた残りの波長範囲をカバーするＲ２フィルタ、前記Ｇフィルタがカバーする波長範囲のうち前記Ｇ１フィルタがカバーする部分を除いた残りの波長範囲をカバーするＧ２フィルタ、及び前記Ｂフィルタがカバーする波長範囲のうち前記Ｂ１フィルタがカバーする部分を除いた残りの波長範囲をカバーするＢ２フィルタが設置されることを特徴とする、あるダイナミックレンジを備えた画素アレイ。
【請求項１０】
前記Ｒ１フィルタ、前記Ｇ１フィルタ及び前記Ｂ１フィルタは、ベイヤーパターンで配列されることを特徴とする請求項９に記載の画素アレイ。
【請求項１１】
前記Ｇ１フィルタ及び前記Ｇ２フィルタの数は、前記Ｒ２フィルタ、前記Ｂ１フィルタ及び前記Ｂ２フィルタの数の２倍であることを特徴とする請求項９に記載の画素アレイ。
【請求項１２】
２次元的に配列された複数の第１型フォトダイオードと、
前記第１型フォトダイオードの間に配置された複数の第２型フォトダイオードと、
前記第１型フォトダイオード及び前記第２フォトダイオードの間に設置され、前記第１型フォトダイオード及び前記第２型フォトダイオードで検出された映像信号を電気信号に変換する複数の映像信号変換回路とを備え、
前記第１型フォトダイオードの面積は、前記第２型フォトダイオードの面積に比べて広く、
前記第１型フォトダイオードの上部には、Ｒフィルタ、Ｇフィルタ及びＢフィルタが設置され、
前記第２型フォトダイオードの上部には、赤外線フィルタが設置されるか、あるいはどのカラーフィルタも設置されないことを特徴とする、あるダイナミックレンジを備えた画素アレイ。
【請求項１３】
２次元的に配列された複数の第１型フォトダイオードと、
前記第１型フォトダイオードの間に配置された複数の第２型フォトダイオードと、
前記第１型フォトダイオード及び前記第２フォトダイオードの間に設置され、前記第１型フォトダイオード及び前記第２型フォトダイオードで検出された映像信号を電気信号に変換する複数の映像信号変換回路とを備え、
前記第１型フォトダイオードの面積は、前記第２型フォトダイオードの面積に比べて広く、
前記第１型フォトダイオードの上部には、２種類のＲフィルタ、Ｇフィルタ及びＢフィルタが設置され、
前記第２型フォトダイオードの上部には、赤外線フィルタが設置されるか、あるいはどのカラーフィルタも設置されていないことを特徴とする、あるダイナミックレンジを備えた画素アレイ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、イメージセンサ画素アレイに関するものであり、特に、広いダイナミックレンジと良好な色再現性および解像度を有する画素アレイならびに画素アレイを用いたイメージセンサに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
理想的なイメージセンサは、光量がゼロルクス(lux)である時にも反応する。しかし、実際のイメージセンサは、ゼロルクスより明るい所定の光量以上の光に対して反応し始める。実際のイメージセンサが反応し始める開始点は、画素の最小光量と称される。光量が増加してイメージセンサがそれ以上反応しなくなる光量は、画素の最大光量と称される。
【０００３】
ダイナミックレンジは、システムが表現可能な相対的光量に対する反応の範囲で定義される。一般に、ダイナミックレンジの下限は、最小光量によって限定され、その上限は最大光量によって限定される。イメージセンサは、最大光量より大きな光を感知したり表現することはできない。
【０００４】
図１は、光検出器の露出時間が長い場合と短い場合に、光量に対応した画素の出力電圧を示す。
【０００５】
図１を参照すると、実線Ａは、イメージセンサを構成する光検出器が短い露出時間で映像信号を撮影した時、前記映像信号（光）に対応した画素出力電圧Ｄａｔａを生成する画素の応答特性を示す。一点鎖線Ｂは、光検出器が長い露出時間で映像信号を撮影した時、映像信号に対応した画素出力電圧を示す。
【０００６】
光検出器が短い露出時間で映像信号を撮影した時の応答曲線である実線Ａは、前記映像信号の明るさが増加するにつれて、前記映像信号に対応した画素出力電圧値Ｄａｔａが飽和するまで（飽和点と称される）、緩やかな傾斜を有する直線として表現される。一方、光検出器が長い露出時間で映像信号を撮影した時の応答曲線である一点鎖線Ｂは、前記映像信号の強度が増加するにつれて、前記映像信号に対応した画素出力電圧値Ｄａｔａが飽和するまで、急な傾斜を有する直線として表現される。
【０００７】
実線Ａを参照すると、露出時間が短い場合、領域（１）（２）（３）（４）に対応した映像信号が電気信号に変換できる。特に、映像信号が明るい領域（４）全体に対応した映像信号が電気信号に変換できる。
【０００８】
一点鎖線Ｂを参照すると、露出時間が長い場合も、領域（１）（２）（３）（４）に対応した映像信号が電気信号に変換できる。しかし、映像信号が明るい領域（４）の一部である領域（５）に対応した明るさを持つ映像信号は、同じ電気信号を有する。即ち、領域（５）に対応した明るさを持つ映像信号を互いに区別できないという不具合がある。しかしながら、映像信号が暗い領域（１）に対応した映像信号の変化をより正確に表現できるという利点がある。
【０００９】
従って、明るい映像信号を電気信号に変換する場合には、短い露出時間で撮影すること（Ａ）が有利になり、一方、暗い映像信号を電気信号に変換する場合には、長い露出時間で撮影すること（Ｂ）が有利であるということが分かる。
【００１０】
従来、ダイナミックレンジを拡大するために、光量を露出時間に応じて何種類の領域に区分し、次のような撮影を行っている。最初に、短い露出時間で撮影した映像フレームデータをメモリに保存しておく。
【００１１】
次に、長い露出時間で撮影した映像フレームデータをメモリに保存しておく。
【００１２】
次に、図１に示すように何種類の領域で分離してメモリに保存された前記２種類のフレームデータを適切に結合して、広いダイナミックレンジを有する新しい映像フレームデータを生成する。なお、第１撮影び第２撮影は、同一映像で異なる露出時間で形成されている。
【００１３】
光の強さが領域（２）（３）に属する場合、画素出力電圧Ｄａｔａは、長い露出時間で撮影した量Ｂと短い露出時間で撮影した量Ａを適切な割合で加算することによって得られ、下記式（１）で表される。
【００１４】
【数１】
2010531540.tif 000003
【００１５】
ここで、Ｄ（２）は、光の明るさが領域（２）に属する場合の画素出力電圧であり、Ｄ（３）は、光の明るさが領域（３）の領域に属する場合の画素出力電圧を示す。変数ｘ（ｘ＞０）と変数ｙ（ｙ＞０）の和は１であり、変数ｘは変数ｙに比べて小さい（ｘ＜ｙ）と仮定する。
【００１６】
式（１）を参照すると、光の明るさが領域（２）に属し、まだ暗い場合（Ｄ（２））は、長い露出時間で撮影した量Ｂが、短い露出時間で撮影した量Ａよりも大きくなる。一方、光の明るさが領域（２）より明るい領域（３）に属する場合（Ｄ（３））は、短い露出時間で撮影した量Ａが、長い露出時間で撮影した量Ｂよりも大きくなる。
【００１７】
従来、異なる露出時間を持つ２つの撮影情報を利用して映像信号を電気信号に変換することで、イメージセンサのダイナミックレンジを拡大している。しかし、このような方法は、異なる露出時間で２回の撮影を行う必要があり、光の強さを領域（２）（３）に区別することが容易ではなく、これらの領域に適用される割合（ｘ，ｙ）を決めることも容易ではないという不具合がある。こうした不具合のため、動画への応用に限界がある。
【００１８】
一般なイメージセンサのカラーフィルタは、Ｒ(Red)、Ｇ(Green)、Ｂ(Blue)の三色を用いたベイヤーパターン(Bayer pattern)を使っている。このようなＲＧＢ三色カラーフィルタを使用する場合、色を表現できる範囲が、人が感知できる範囲と比べて限定的である。
【００１９】
図２は、１９７６年にＣＩＥ（国際照明委員会）によって決定された均等色空間を利用した色座標を示す。
【００２０】
図２を参照すると、領域ａは人の目が感知できる色の範囲を示し、領域ｂはイメージセンサに使われているＲＧＢカラーフィルタが表現できる色の範囲を示す。従って、領域ａと領域ｂの差の部分である２箇所の領域ｃ（影領域）は、人の目では感知できるが、ＲＧＢカラーフィルタを使用するイメージセンサは表現できない領域になる。従って、従来のイメージセンサは、３色カラーフィルタを用いても表現できない色領域が存在するという問題がある。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００２１】
本発明は、広いダイナミックレンジと良好な色再現性を有し、既存の画素アレイ構造に比べて改善した解像度を有する画素アレイを提供する。
【００２２】
また本発明は、広いダイナミックレンジと、人の色分解能力に近い色再現性を有し、改善した解像度を有するイメージセンサを提供する。
【課題を解決するための手段】
【００２３】
本発明の一態様によれば、あるダイナミックレンジを備えた画素アレイは、複数の第１型フォトダイオードと、複数の第２型フォトダイオードと、複数の映像信号変換回路とを備える。複数の第２型フォトダイオードは、２次元的に配列された第１型フォトダイオードの間に配置される。複数の映像信号変換回路は、前記第１型フォトダイオードと前記第２型フォトダイオードの間に設置され、前記第１型フォトダイオード及び前記第２型フォトダイオードで検出された映像信号を処理する。前記第１型フォトダイオードの面積は、前記第２型フォトダイオードの面積に比べて広い。
【００２４】
本発明の他の態様によれば、あるダイナミックレンジを備えた画素アレイは、２次元的に配列された複数の第１型フォトダイオードと、前記第１型フォトダイオードの間に配置された複数の第２型フォトダイオードと、前記第１型フォトダイオードと前記第２フォトダイオードの間に設置され、前記第１型フォトダイオード及び前記第２型フォトダイオードで検出された映像信号を電気信号に変換する複数の映像信号変換回路とを備え、前記第１型フォトダイオードの面積は、前記第２型フォトダイオードの面積に比べて広く、前記第１型フォトダイオード及び前記第２型フォトダイオードの上部にＲフィルタ、Ｇフィルタ及びＢフィルタが設置される。
【００２５】
本発明の他の態様によれば、あるダイナミックレンジを備えた画素アレイは、２次元的に配列された複数の第１型フォトダイオードと、前記第１型フォトダイオードの間に配置された複数の第２型フォトダイオードと、前記第１型フォトダイオードと前記第２フォトダイオードの間に設置され、前記第１型フォトダイオード及び前記第２型フォトダイオードで検出された映像信号を電気信号に変換する複数の映像信号変換回路とを備え、前記第１型フォトダイオードの面積は前記第２型フォトダイオードの面積に比べて広く、前記第１型フォトダイオードの上部にはＲフィルタ、Ｇフィルタ及びＢフィルタが設置され、前記第２型フォトダイオードの上部にはＣ(cyan)フィルタ、Ｍ(magenta)フィルタ及びＹ(yellow)フィルタのうち少なくとも１つのカラーフィルタが設置される。
【００２６】
本発明の他の態様によれば、あるダイナミックレンジを備えた画素アレイは、２次元的に配列された複数の第１型フォトダイオードと、前記第１型フォトダイオードの間に配置された複数の第２型フォトダイオードと、前記第１型フォトダイオード及び前記第２フォトダイオードの間に設置され、前記第１型フォトダイオード及び前記第２型フォトダイオードで検出された映像信号を電気信号に変換する複数の映像信号変換回路とを備え、前記第１型フォトダイオードの面積は、前記第２型フォトダイオードの面積に比べて広く、Ｒフィルタ、Ｇフィルタ及びＢフィルタの各波長範囲が少なくとも２つの範囲に区分され、前記第１型フォトダイオードの上部には、Ｒフィルタがカバーする波長範囲の一部をカバーするＲ１フィルタ、Ｇフィルタがカバーする波長範囲の一部をカバーするＧ１フィルタ、及びＢフィルタがカバーする波長範囲の一部をカバーするＢ１フィルタが設置され、前記第２型フォトダイオードの上部には、前記Ｒフィルタがカバーする波長範囲のうち前記Ｒ１フィルタがカバーする部分を除いた残りの波長範囲をカバーするＲ２フィルタ、前記Ｇフィルタがカバーする波長範囲のうち前記Ｇ１フィルタがカバーする部分を除いた残りの波長範囲をカバーするＧ２フィルタ、及び前記Ｂフィルタがカバーする波長範囲のうち前記Ｂ１フィルタがカバーする部分を除いた残りの波長範囲をカバーするＢ２フィルタが設置される。
【００２７】
本発明の他の態様によれば、あるダイナミックレンジを備えた画素アレイは、２次元的に配列された複数の第１型フォトダイオードと、前記第１型フォトダイオードの間に配置された複数の第２型フォトダイオードと、前記第１型フォトダイオード及び前記第２フォトダイオードの間に設置され、前記第１型フォトダイオード及び前記第２型フォトダイオードで検出された映像信号を電気信号に変換する複数の映像信号変換回路とを備え、前記第１型フォトダイオードの面積は、前記第２型フォトダイオードの面積に比べて広く、前記第１型フォトダイオードの上部にはＲフィルタ、Ｇフィルタ及びＢフィルタが設置され、前記第２型フォトダイオードの上部には赤外線フィルタが設置されるか、あるいはどのカラーフィルタも設置されていない。
【００２８】
本発明の他の態様によれば、あるダイナミックレンジを備えた画素アレイは、２次元的に配列された複数の第１型フォトダイオードと、前記第１型フォトダイオードの間に配置された複数の第２型フォトダイオードと、前記第１型フォトダイオード及び前記第２フォトダイオードの間に設置され、前記第１型フォトダイオード及び前記第２型フォトダイオードで検出された映像信号を電気信号に変換する複数の映像信号変換回路とを備え、前記第１型フォトダイオードの面積は、前記第２型フォトダイオードの面積に比べて広く、前記第１型フォトダイオードの上部には、２種類のＲフィルタ、Ｇフィルタ及びＢフィルタが設置され、前記第２型フォトダイオードの上部には、赤外線フィルタが設置されるか、あるいはどのカラーフィルタも設置されていない。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】露出時間が長い場合と短い場合に、光量に対応した画素の出力電圧を示す。
【図２】１９７６年にＣＩＥ（国際照明委員会）によって決定された均等色空間を利用した色座標を示す。
【図３】画素の露出時間が同一の場合、光量に応じて、大きい面積および小さな面積を有する画素の出力電圧を示す。
【図４】広いダイナミックレンジ、良好な解像度および改善した色再現性を有する画素アレイを示す。
【図５】画素アレイ及びカラーフィルタを用いて構成された一般のイメージセンサの一部を示す。
【図６】本発明の第１実施形態によるイメージセンサを示す。
【図７】本発明の第２実施形態によるイメージセンサを示す。
【図８】本発明の第３実施形態によるイメージセンサを示す。
【図９】本発明の第４実施形態によるイメージセンサを示す。
【図１０】イメージセンサの波長に応じた透過フィルタリング特性を示す。
【図１１】６色カラーフィルタを使用したときの色座標を示す。
【図１２】本発明の第５実施形態によるイメージセンサを示す。
【図１３】本発明の第６実施形態によるイメージセンサを示す。
【図１４】本発明の第７実施形態によるイメージセンサを示す。
【図１５】本発明の第８実施形態によるイメージセンサを示す。
【図１６】本発明による画素アレイの一部を示す。
【図１７】図１６に示した本発明による画素アレイと関連した、単位画素の映像信号変換回路を示す。
【発明を実施するための形態】
【００３０】
以下、本発明の例示の実施形態について図面を参照して詳しく説明する。
【００３１】
イメージセンサのダイナミックレンジ、解像度および色再現性を向上するために、本発明は次のように提案する。
１．互いに異なる大きさおよび形状を有する２つのフォトダイオードを備えた画素アレイ。
２．画素アレイの上部に複数のカラーフィルタを配置し、適切に組み合わせて使用することで、必要に応じてダイナミックレンジを調節し、既存技術より広範囲な色表現力と、既存の四角形状の画素アレイと比べて約１．３倍以上の解像度が得られるイメージセンサ。
３．イメージセンサに適用される状況に応じて、画素アレイの上部に配列したカラーフィルタのうち限定した種類のみを使用し、画素アレイ上部の所定エリアにあるカラーフィルタを使用しない適応型イメージセンサ。
【００３２】
フォトダイオードは、外部から印加される映像信号を最初に検出する検出器であるため、イメージセンサにとってフォトダイオードの機能は重要である。映像信号を受けるフォトダイオードの検出面積が増加するほど、映像信号に対する検出効率も増加することは広く知られている。ここで、検出効率は、背景技術で説明したダイナミックレンジと密接な関係がある。映像信号に対する検出効率が良いことは、相互に微細な差を有する映像信号を、映像信号に応じた電気信号に変換することが容易であることを意味する。例えば、２次元で配列された複数のフォトダイオードに印加され、相互に微細な差を有する暗い映像信号だけでなく相互に微細な差を有する明るい映像信号も、差を表現する電気信号に変換することができる。従って、良好な検出効率は広いダイナミックレンジを意味する。
【００３３】
図３は、画素の露出時間が同一の場合、光量に応じて、大きい面積および小さな面積を有する画素の出力電圧を示す。
【００３４】
図３を参照すると、点線は、画素が大きい面積を有する場合に、光量に応じた画素出力電圧を示すもので、急な傾斜を有する。フォトダイオードの面積が大きく、光量がゼロルクスである場合、ゼロルクスの光量に対応した出力電圧は生成されない。光量がＡルクス以上の場合だけ、出力電圧が生成される。光量が増加してＢルクスになると、画素出力電圧が飽和する。このとき光量が増加しても画素出力電圧は変化しない。なお、Ａルクス及びＢルクスは、大きい面積を有する画素の最小光量及び最大光量に対応する。
【００３５】
一方、実線で示した応答曲線は、画素の面積が小さい場合に、光量に応じた画素出力電圧を示すもので、緩やかな傾斜を有する。フォトダイオードの面積が小さく、光量がゼロルクスである場合、ゼロルクスの光量に対応した出力電圧は生成されない。光量がＣルクス以上の場合だけ、出力電圧が生成される。光量が増加してＤルクスになると、画素出力電圧が飽和する。このとき光量が増加しても画素出力電圧は変化しない。なお、Ｃルクス及びＤルクスは、小さい面積を有する画素の最小光量及び最大光量に対応する。
【００３６】
図３を参照すると、光量Ａと光量Ｂの間の区間（６）は、画素が大きい面積を有する場合の有効利用区間であり、光量Ｃと光量Ｄの間の区間（７）は、画素が小さい面積を有する場合の有効利用区間である。区間（８）は、大きい面積を有する画素と小さい面積を有する画素を同時に使用した場合の有効利用区間になる。
【００３７】
デジタル映像のダイナミックレンジは、映像内でのデータ劣化無しで、最も暗い入射光の光量と最も明るい入射光の光量の割合で定義される。特に、イメージセンサの分野では、ダイナミックレンジは、完全に暗い状態であるブラックと、完全に飽和した状態であるホワイトとの光量比を対数値で表現する。
【００３８】
これは、下記の式（２）で表される。
【００３９】
【数２】
2010531540.tif 000004
…（２）
【００４０】
式（２）と図３に示した特性曲線を参照して、大きい面積を有する画素のダイナミックレンジＤＲbig、小さい面積を有する画素のダイナミックレンジＤＲsmall、大きい面積を有する画素と小さい面積を有する画素を同時に使用した場合のダイナミックレンジＤＲbig-smallは、下記の式（３）で計算される。ここで、Ａは０．０１ルクス、Ｃは１ルクス、Ｂは２００ルクス、Ｄは１０００ルクスである。
【００４１】
【数３】
2010531540.tif 000005
…（３）
【００４２】
式（３）を参照すると、大きい面積を有する画素と小さい面積を有する画素を同時に使用した場合のダイナミックレンジＤＲbig-smallが最大であることが判る。
【００４３】
式（３）と図３に示すように、本発明によれば、大きい面積を有するフォトダイオードと小さい面積を有するフォトダイオードを同時に使用して、ダイナミックレンジを拡大する画素アレイを提案する。
【００４４】
図４は、広いダイナミックレンジ、良好な解像度および改善した色再現性を有する画素アレイを示す。
【００４５】
図４を参照すると、画素アレイ４００は、異なる大きさと形状を持つ２種類のフォトダイオードＰＤ１，ＰＤ２が２次元的に配列された構造を有する。ここで、異なる大きさと形状を持つ２種類のフォトダイオードは、相対的に面積が大きい八角形の第１型フォトダイオードＰＤ１と、相対的に面積が小さい四角形の第２型フォトダイオードＰＤ２である。
【００４６】
図４では、第１型フォトダイオードＰＤ１及び第２型フォトダイオードＰＤ２が交互に配列されている。しかし、２つのフォトダイオードＰＤ１，ＰＤ２の間の配列の割合は、使用目的とシステムの状況によって調節して使用することも可能である。図４には明確に示していないが、第１型フォトダイオード及び第２型フォトダイオードの間のスペースには、対応するフォトダイオードで検出された映像信号を、対応する電気信号に変換する映像信号変換回路が配置される。これら映像信号変換回路の構成及び動作は一般に知られているので、ここでは具体的に説明はしない。フォトダイオード及び映像信号変換回路のレイアウトは、図１６を参照して後述する。
【００４７】
図４を参照すると、本発明による画素アレイでは、八角形の第１型フォトダイオードＰＤ１を配置している。八角形の第１型ダイオードの面積は、従来の四角形のフォトダイオードの面積と同一であるか、またはそれより大きいことが一般的であるが、場合によっては小さい面積でもよい。従来の四角形のフォトダイオードに比べて相対的に大きい面積を有する第１型単位フォトダイオードが映像信号を検出する場合、相対的に小さい面積を有する従来の単位フォトダイオードに比べて映像信号検出効率が高いことは明らかである。また、第１型フォトダイオードの間のスペースに、第１型フォトダイオードに比べて相対的に面積が小さい四角形の第２型フォトダイオードＰＤ２が配置されているために、映像信号を検出するのに割り当てられた限定領域に対するフォトダイオードの空隙率が向上している。本発明では、第１型フォトダイオードに加えて第２型フォトダイオードも配列しており、追加の第２型フォトダイオードを適切に使用することにより、本発明による画素アレイ構造は映像信号を検出できる能力が向上することが明らかである。
【００４８】
要約すると、本発明による画素アレイは、八角形の第１型フォトダイオードと四角形の第２型フォトダイオードを２次元的に配置して使用することで、イメージセンサのダイナミックレンジを向上させることができる。このような構造のイメージセンサのダイナミックレンジが向上する原理は、式（２）及び図３を参照して説明している。
【００４９】
以下、第１型フォトダイオード及び第２型フォトダイオードが配置された本発明による画素アレイを使って具現された本発明によるイメージセンサについて説明する。
【００５０】
図５は、画素アレイ及びカラーフィルタを用いて構成された一般のイメージセンサの一部を示す。
【００５１】
図５を参照すると、一般的なイメージセンサ５００は、フォトダイオード５１０と、フォトダイオード５１０の上部に形成された第１バッファ層５２０、カラーフィルタ５３０、第２バッファ層５４０、およびマイクロレンズ５５０を備える。図５に示したイメージセンサの垂直構造は、画素アレイ及びカラーフィルタを使用する一般的な方法として広く知られており、各構成要素の機能及び動作の詳細な説明は省略する。図５を参照すると、映像信号に含まれた多くの周波数成分、即ち、多くの種類の色成分の検出は、対応するフォトダイオードの上部に設置されたカラーフィルタの種類によって決定される。
【００５２】
カラーフィルタとして、赤色フィルタ（以下、Ｒフィルタと称する）、緑色フィルタ（以下、Ｇフィルタと称する）、青色フィルタ（以下、Ｂフィルタと称する）、シアンフィルタ（以下、Ｃフィルタと称する）、マゼンタフィルタ（以下、Ｍフィルタと称する）及び、黄色フィルタ（以下、Ｙフィルタと称する）などがあるが、これら以外にも色表現能力を向上させる新しいカラーフィルタセットも使用することができる。
【００５３】
図６は、本発明の第１実施形態によるイメージセンサを示す。
【００５４】
図６を参照すると、本発明によるイメージセンサ６００は、図４に示した本発明によるピクセルアレイ４００の上部にカラーフィルタを設置して使用する。画素アレイを構成するフォトダイオードの上部に表示した文字Ｒ，Ｇ，Ｂは、対応するフォトダイオードの上部にそれぞれＲフィルタ、Ｇフィルタ及びＢフィルタが設置されていることを意味する。
【００５５】
先ず、八角形の第１型フォトダイオードの上部に設置されたカラーフィルタについて説明する。
【００５６】
図６を参照すると、八角形の第１型フォトダイオードの上部には、複数のＧフィルタ（Ｇ）が水平方向に一列で配置された複数の１Ｇ水平フィルタラインが２次元的に配列している。また、Ｒフィルタ（Ｒ）及びＢフィルタ（Ｂ）が水平方向に交互に配置された複数の１ＲＢ水平フィルタラインが２次元的に配列している。図６には、点線で示した複数の１Ｇ水平フィルタラインを、１（ｎ−１）Ｇ，１ｎＧ，１（ｎ＋１）Ｇでそれぞれ表示し、複数の１ＲＢ水平フィルタラインを、１（ｎ−１）ＲＢ，１ｎＲＢで表示している。ここで、ｎは整数を意味する。図６を参照すると、１本の１ＲＢ水平フィルタラインは、１Ｇ水平フィルタラインの間に１行ずつ整列されることを分かる。
【００５７】
ここで、１Ｇ及び１ＲＢで表示したように、Ｇ及びＲＢの前に数字１を付記したのは、前記水平フィルタラインが第１型フォトダイオードの上部のみに設置されることを意味するものであり、後述する第２型フォトダイオードの上部のみに設置される水平フィルタラインと区別するためである。後述する本発明によるイメージセンサの他の実施形態において、他に言及していなければ、前記イメージセンサを構成する第１型フォトダイオードの上部には、Ｒフィルタ、Ｇフィルタ及びＢフィルタが図６に示すように設置されていることを前提する。従って、以下の説明では、フォトダイオードの上部にＲフィルタ、Ｇフィルタ及びＢフィルタが設置されるという説明を省略している。
【００５８】
次に、四角形の第２型フォトダイオードの上部に設置されたカラーフィルタについて説明する。
【００５９】
図６を参照すると、第２型フォトダイオードの上部には、複数のＧフィルタ（Ｇ）が水平方向に一列で配置された複数の２Ｇ水平フィルタラインが垂直方向に一列で配列した２次元配列構造を有する。同様に、Ｒフィルタ（Ｒ）及びＢフィルタ（Ｂ）が水平方向に一列で交互に配置された複数の２ＲＢ水平フィルタラインが垂直方向に一列で配列した２次元的配列構造を有する。このとき、各２ＲＢ水平フィルタラインは、２Ｇ水平フィルタラインの間に配置される。複数の２Ｇ水平フィルタラインを、２（ｎ−１）Ｇ，２ｎＧ，２（ｎ＋１）Ｇでそれぞれ表示し、複数の２ＲＢ水平フィルタラインを２（ｎ−１）ＲＢ，２ｎＲＢでそれぞれ表示している。
【００６０】
図６を参照すると、１Ｇ水平フィルタライン及び２Ｇ水平フィルタラインは、仮想の同一ライン上に存在するようになる。同様に、１ＲＢ水平フィルタライン及び２ＲＢ水平フィルタラインも仮想の同一ライン上に存在するようになる。これは、図６に示したイメージセンサを上から見たとき、第１型フォトダイオード及び第２型フォトダイオードが交互に配置されていて、これらのフォトダイオードの上部にカラーフィルタが配置されるからである。前述した水平フィルタラインの概念は、以下でも同様に適用される。
【００６１】
図７は、本発明の第２実施形態によるイメージセンサを示す。
【００６２】
図７に示したイメージセンサ７００を構成する第１型フォトダイオード及び、前記第１型フォトダイオードの上部に設置された複数の１Ｇ水平フィルタライン及び複数の１ＲＢ水平フィルタラインは、図６に示したものと同一である。しかし、第２型フォトダイオードの上部に設置された２Ｇ水平フィルタラインは、複数の１ＲＢ水平フィルタラインと仮想の同一ライン上に整列し、２ＲＢ水平フィルタラインは、複数の１Ｇ水平フィルタラインと仮想の同一ライン上に整列している点で、図６に示したイメージセンサ６００と異なる。
【００６３】
図８は、本発明の第３実施形態によるイメージセンサを示す。
【００６４】
図８を参照すると、イメージセンサ８００を構成する第１型フォトダイオード及び前記第１型フォトダイオードの上部に設置された複数の１Ｇ水平フィルタライン及び複数の１ＲＢ水平フィルタラインは、図６に示したものと同一である。しかし、第２型フォトダイオードの上部には、Ｍフィルタ及びＣフィルタが水平方向に一列で交互に配置された複数の２ＭＣ水平フィルタラインが垂直方向に配列され、各２ＭＣ水平フィルターラインは１Ｇ水平フィルタラインと仮想の同一ラインに整列してる。また、第２型フォトダイオードの上部には、複数のＹフィルタが水平方向に一列で配置された複数の２Ｙ水平フィルタラインが垂直方向に配列され、各２Ｙ水平フィルタラインは１ＢＲ水平フィルタラインと仮想の同一ラインに整列している。
【００６５】
図９は、本発明の第４実施形態によるイメージセンサを示す。
【００６６】
図９を参照すると、イメージセンサ９００は、図８に示したイメージセンサ８００に配置された複数の２ＭＣ水平フィルタラインの位置と複数の２Ｙ水平フィルタラインの位置を交換した点のみで異なっており、他の構成要素は同一である。
【００６７】
図８及び図９を参照すると、本発明によるイメージセンサは、第１型フォトダイオードの上部には、Ｒフィルタ、Ｇフィルタ及びＢフィルタを設置して使用するが、第２型フォトダイオードの上部には、Ｃフィルタ、Ｍフィルタ及びＹフィルタを設置して使用する。
【００６８】
以下、ＲＧＢカラーフィルタに追加して、マゼンタ、シアン及びイエローのフィルタであるＭＣＹカラーフィルタを使用すると、色再現性が向上することについて説明する。
【００６９】
図１０は、イメージセンサの波長に応じた透過フィルタリング特性を示す。
【００７０】
図１０を参照すると、３色カラーフィルタ（ＲＧＢ）を使用した場合と６色カラーフィルタ（Ａ）（Ｂ）（Ｃ）（Ｄ）（Ｅ）（Ｆ）を使用した場合に光の波長に応じた透過フィルタリング特性を示す。ここで、６色のカラーフィルタ（Ａ）（Ｂ）（Ｃ）（Ｄ）（Ｅ）（Ｆ）のうち２個のカラーフィルタ（Ａ）（Ｂ）がカバーする波長範囲は、Ｂカラーフィルタがカバーする波長範囲を細分化したものであり、他の２個のカラーフィルタ（Ｃ）（Ｄ）がカバーする波長範囲は、Ｇカラーフィルタがカバーする波長範囲を細分化したものであり、残り２個のカラーフィルタ（Ｅ）（Ｆ）がカバーする波長範囲は、Ｒカラーフィルタがカバーする波長範囲を細分化したものである。
【００７１】
図１１は、６色カラーフィルタを使用したときの色座標を示す。
【００７２】
図１１を参照すると、３色カラーフィルタ（ＲＧＢ）を使用する代わりに、細分化された６色のカラーフィルタ（Ａ）（Ｂ）（Ｃ）（Ｄ）（Ｅ）（Ｆ）を本発明によるイメージセンサに適用した場合、二点鎖線で描かれた六角形領域内のカラーを表現できるようになり、ＲＧＢカラーフィルタで表現できる三角形領域内のカラーに比べて、より広い色表現範囲が得られることが分かる。
【００７３】
図１２は、本発明の第５実施形態によるイメージセンサを示す。
【００７４】
図１２を参照すると、本発明によるイメージセンサ１２００は、第１型フォトダイオードの上部には、図１０に示した３個のカラーフィルタ（Ａ）（Ｃ）（Ｅ）をベイヤーパターン(Bayer pattern)で設置し、第２型フォトダイオードの上部には、残り３個のカラーフィルタ（Ｂ）（Ｄ）（Ｆ）を設置して使用する。図１２に示したように、緑色系列色に対応したカラーフィルタ（Ｃ）（Ｄ）の数は、他のカラーフィルタの数に比べて２倍多くできる。
【００７５】
図１３は、本発明の第６実施形態によるイメージセンサを示す。
【００７６】
図１３を参照すると、本発明によるイメージセンサ１３００は、第１型フォトダイオードの上部には、３個のカラーフィルタ（Ｂ）（Ｄ）（Ｆ）をベイヤーパターンで設置し、第２型フォトダイオードの上部には、３個のカラーフィルタ（Ａ）（Ｃ）（Ｅ）を設置して使用する。また、図１２と同様に、緑色系列色に対応したカラーフィルタ（Ｃ）（Ｄ）の数は、他のカラーフィルタの数に比べて２倍多くできる。
【００７７】
図１２及び図１３では、Ｒフィルタ、Ｇフィルタ及びＢフィルタがカバーする波長範囲を２個の区域に分割した場合に得られる６個のフィルタを例として説明したが、２個以上の区域に分割してフィルタの個数が３の倍数になるように拡張できる。
【００７８】
図１４は、本発明の第７実施形態によるイメージセンサを示す。
【００７９】
図１４を参照すると、本発明によるイメージセンサ１４００は、第１型フォトダイオードの上部には、Ｒフィルタ、Ｇフィルタ及びＢフィルタを設置して使用するが、第２型フォトダイオードの上部には、どのカラーフィルタも設置しないか、あるいは赤外線フィルタを設置している。
【００８０】
第２型フォトダイオードの上部にカラーフィルタを設置しない場合、第２型フォトダイオードは、映像信号に含まれる黒成分および白成分を検出するようになる。一方、赤外線フィルタを設置した場合、第２型フォトダイオードは、映像信号に含まれる赤外線成分を検出するようになる。従って、図１４に示したイメージセンサ１４００の場合、第１型フォトダイオードは、映像信号に含まれるカラー成分を検出し、第２型フォトダイオードは映像信号に含まれる黒白成分または赤外線成分を検出することができる。
【００８１】
図１５は、本発明の第８実施形態によるイメージセンサを示す。
【００８２】
図１５を参照すると、イメージセンサ１５００は、第１型フォトダイオードの上部に、Ｒフィルタ及びＢフィルタのみを設置し、Ｇフィルタは設置しない。上から見たとき、ＲフィルタとＢフィルタは交互に配列している。また、第２型フォトダイオードの上部には、どのカラーフィルタも設置しないか、あるいは赤外線フィルタ、Ｒフィルタ、ＧフィルタまたはＢフィルタを設置してもよい。図１５は、第１型フォトダイオードの上部にＧフィルタが存在しない状態を示しているが、場合によってはＲフィルタまたはＢフィルタが存在しなくてもよい。
【００８３】
図１５を参照すると、イメージセンサ１５００は、使用目的及び対象に応じて、第１型フォトダイオードが適切に選択された２種類のカラー成分を検出し、第２型フォトダイオードが適切に選択された黒白成分、赤外線成分及び他の種類のカラー成分を検出するといった利点がある。
【００８４】
図１６は、本発明による画素アレイの一部を示す。
【００８５】
図１６を参照すると、八角形のフォトダイオード、四角形のフォトダイオード及び、点線円で示した映像信号変換回路が本発明による画素アレイを構成している。
【００８６】
図１７は、図１６に示した本発明による画素アレイと関連した、単位画素の映像信号変換回路を示す。
【００８７】
図１７を参照すると、八角形の大きいフォトダイオードＰＤ１および四角形の小さなフォトダイオードＰＤ２で検出された電荷を電気信号に変換する映像信号変換回路は、共有して使用される。前述したように、大きい面積を有する画素と小さい面積を有する画素は同時に一つのアレイ内部に配置され、両者間の相関関係を有することで、フォトダイオードで生成された電荷を電気信号に変換する映像信号変換回路によって作成される変数が減少するという利点がある。面積が小さな画素ＰＤ２と大きい画素ＰＤ１が浮遊拡散ノード（Ａ）を共有しているために、小さな画素と大きい画素の変換効率は同じであるという利点がある。
【００８８】
以上、本発明を実施形態を参照して図示し説明したが、これは例示的なものに過ぎず、当業者ならこれから多様な変形及び均等な他の実施例が可能であるという点を理解するであろう。よって、本発明の真正な技術的保護範囲は、添付した請求の範囲の技術的思想によって決まらなければならないであろう。
【産業上の利用可能性】
【００８９】
前述したように、ダイナミックレンジが広い本発明による画素アレイ及びイメージセンサは、ダイナミックレンジが拡大し、カラーフィルタの種類を選択して色表現範囲もさらに拡大でき、イメージセンサの適用範囲が環境によって多様に広げることができるという利点がある。また、画素が、垂直パターンや水平パターンだけでなく蜂の巣(hive)パターンに配列しているため、その解像度および性能は、蜂の巣パターンのみで配列した画素よりも改善される。
【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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【国際調査報告】
2010531540.tif 000023
2010531540.tif 000024