(57)【要約】【課題】固体撮像装置のダイナミックレンジを従来よりも広げる。【解決手段】  固体撮像装置は、二次元配列された画素部を備え、各画素部は、入射光を電荷に変換する光電変換部（２）と、光電変換部（２）毎に異なる可視光の透過率を有する光学フィルタ膜（６ａ、６ｂ、６ｃ）とを有する。この構成により、入射光に対する感度が画素部毎に異なることとなり、感度が異なる３種類の画素部から得られた画素信号を合成することで、ダイナミックレンジを広げることができる。【選択図】図１
2007329721.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
入射光を電荷に変換する光電変換手段を有する画素部が２次元配列する固体撮像装置であって、入射光に対する感度および飽和受光量が異なる多種類の画素部が、複数個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】
入射光を電荷に変換する光電変換手段を有する画素部が２次元配列する固体撮像装置であって、カラーフィルタを搭載し、かつ、カラーフィルタ以外にも、光の透過率を異ならせる多種類のフィルタ機能をもつ画素部が、複数個配置されていることを特徴とする固体撮像装置。
【請求項３】
入射光を電荷に変換する光電変換手段を有する画素部が２次元配列する固体撮像装置であって、カラーフィルタを搭載し、かつ、受光面積を異ならせて多種類の感度性能をもつ画素部が、複数個配置されていることを特徴とする固体撮像装置。
【請求項４】
入射光を電荷に変換する光電変換手段を有する画素部が２次元配列する固体撮像装置であって、カラーフィルタを搭載せず、光の透過率を異ならせる多種類のフィルタ機能をもつ画素部のみが、複数個配置されていることを特徴とする固体撮像装置。
【請求項５】
入射光を電荷に変換する光電変換手段を有する画素部が２次元配列する固体撮像装置であって、カラーフィルタを搭載せず、受光面積を異ならせて多種類の感度性能をもつ画素部が、複数個配置されていることを特徴とする固体撮像装置。
【請求項６】
光の透過率を異ならせる多種類のフィルタ機能をもつ画素部が、同一行方向に、一定の数量単位で、繰り返し規則的に配置されている個体撮像装置であって、
通常撮影時は、前記一定の数量単位の画素部を混合して画像出力を行い、高輝度撮影時は、前記一定の数量単位の画素部のうち、非飽和状態の画素部からの信号のみを選択出力することを特徴とする固体撮像装置。
【請求項７】
受光面積を異ならせて多種類の感度性能をもつ画素部が、同一行方向に、一定の数量単位で、繰り返し規則的に配置されている固体撮像装置であって、
通常撮影時は、前記一定の数量単位の画素部を混合して画像出力を行い、高輝度撮影時は、前記一定の数量単位の画素部のうち、非飽和状態の画素部からの信号のみを選択出力することを特徴とする固体撮像装置。
【請求項８】
光の透過率および受光面積が同一である画素部が、２次元配列する固体撮像装置であって、
各行ごとに露光時間を異ならせる駆動を行うことを特徴とする固体撮像装置。
【請求項９】
光の透過率を異ならせる多種類のフィルタ機能をもつ画素部が、同一行方向に、一定の数量単位で、繰り返し規則的に配置され、かつ、各行ごとに露光時間を異ならせる駆動を行うことを特徴とする固体撮像装置。
【請求項１０】
受光面積を異ならせて多種類の感度性能をもつ画素部が、同一行方向に、一定の数量単位で、繰り返し規則的に配置され、かつ、各行ごとに露光時間を異ならせる駆動を行うことを特徴とする固体撮像装置。
【請求項１１】
光の透過率を異ならせる多種類のフィルタ機能をもつ画素部が、２次元配列する固体撮像装置であって、通常撮影時は、複数の画素部を混合して画像出力を行い、高輝度撮影時は、個々の画素部から画像出力を行い、非飽和状態の画素部からの信号のみを有効とする固体撮像装置。     
【請求項１２】
受光面積を異ならせて多種類の感度性能をもつ画素部が、２次元配列する固体撮像装置であって、
通常撮影時は、複数の画素部を混合して画像出力を行い、高輝度撮影時は、個々の画素部から画像出力を行い、非飽和状態の画素部からの信号のみを有効とする
固体撮像装置。
【請求項１３】
入射光を電荷に変換する光電変換手段を有する画素部が２次元配列する固体撮像装置であって、
光の透過率を異ならせる液晶等を用いた可変型のフィルタを持つ画素部が複数個配置されていることを特徴とする固体撮像装置。
【請求項１４】
請求項１から請求項１３のいずれか１項記載の固体撮像装置を備えることを特徴とするカメラ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、デジタルカメラ、携帯電話機搭載カメラ、車載カメラ等に用いられる固体撮像装置に関し、特に、ダイナミックレンジを広げる技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
固体撮像装置は銀塩カメラに比べてダイナミックレンジが狭いと言われている。そこで、従来から固体撮像装置の見かけ上のダイナミックレンジを広げる技術が研究されている（例えば、特許文献１参照）。
図２３（ａ）は、従来技術に係る画素の平面図である。
従来技術に係る画素は、主感光部３０１と従感光部３０２とからなる。従感光部３０２は主感光部３０１よりも狭い受光面積を有する。各感光部で得られた電荷は、電荷転送路３０３を介してそれぞれ別個に出力される。
【０００３】
図２３（ｂ）は、従来技術に係る固体撮像装置の出力特性を示す図である。
曲線７１及び７２は、それぞれ主感光部３０１及び従感光部３０２の出力特性である。いずれの出力特性も、光が強くなるほど出力信号が大きくなるが、光強度が閾値を超えれば、光の強度が強くなっても出力信号が変化しなくなる。これは、各感光部の電荷の蓄積量が飽和受光量に達してしまうからである。
【０００４】
主感光部３０１は、従感光部３０２に比べて受光面積が広いので、その分だけ受光量も多くなる。そのため、感度（曲線の傾き）は高いが、ダイナミックレンジは狭い（電荷が飽和受光量に到達しやすい）。
一方、従感光部３０２は、主感光部３０１に比べて受光面積が狭いので、その分だけ受光量が少なくなる。そのため、感度は低いが、ダイナミックレンジは広い。
【０００５】
曲線７３は、主感光部３０１の出力信号及び従感光部３０２の出力信号を信号処理により合成した場合の出力特性である。このように感度が異なる２つの感光部の出力信号を合成することで、全体として感度を高めるとともに、ダイナミックレンジを広げることができる。
【特許文献１】特開２００３−２１８３４３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
近年、固体撮像装置は、その用途が広がりつつあり、用途によっては、より広いダイナミックレンジが要求されるようになっている。例えば、車載カメラに用いる場合、たとえ逆光であっても確実に障害物をとらえるよう、非常に広いダイナミックレンジが要求される。
しかしながら、上記従来技術では、ダイナミックレンジを広げることができるものの、その拡大率は小さくとどまるという問題がある。これは、従感光部３０２の受光面積を狭くすれば、受光量を抑制することができる反面、電荷の飽和受光量を低減させてしまうからである。飽和受光量の低減は、ダイナミックレンジの拡大効果を抑制する要因となる。
【０００７】
そこで、本発明は、上記問題を解消し、従来よりも広いダイナミックレンジを有する固体撮像装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明に係る固体撮像装置は、入射光を電荷に変換する光電変換手段を有する画素部が２次元配列する固体撮像装置であって、入射光に対する感度および飽和受光量が異なる多種類の画素部が、複数個配置されていることを特徴とする。なお、本明細書では「多種類」とは３種類以上をいうものとする。
【発明の効果】
【０００９】
これによれば、感度の異なる複数の画素によって、ダイナミックレンジが大幅に広い画像を生成することができる。
また、本発明の固体撮像装置は、入射光を電荷に変換する光電変換手段を有する画素部が２次元配列する固体撮像装置であって、カラーフィルタを搭載し、かつ、カラーフィルタ以外にも、光の透過率を異ならせる多種類のフィルタ機能をもつ画素部が、複数個配置されていることを特徴とする。
【００１０】
これによれば、感度の異なる複数のカラー画素によって、ダイナミックレンジが大幅に広いカラー画像を生成することができる。
また、本発明の固体撮像装置は、入射光を電荷に変換する光電変換手段を有する画素部が２次元配列する固体撮像装置であって、カラーフィルタを搭載し、かつ、受光面積を異ならせて多種類の感度性能をもつ画素部が、複数個配置されていることを特徴とする。
【００１１】
これによっても、感度の異なる複数のカラー画素によって、ダイナミックレンジが大幅に広いカラー画像を生成することができる。
また、本発明の固体撮像装置は、入射光を電荷に変換する光電変換手段を有する画素部が２次元配列する固体撮像装置であって、カラーフィルタを搭載せず、光の透過率を異ならせる多種類のフィルタ機能をもつ画素部のみが、複数個配置されていることを特徴とする。
【００１２】
これによれば、感度の異なる複数の画素によって、ダイナミックレンジが大幅に広い画像を生成することができる。
また、本発明の固体撮像装置は、入射光を電荷に変換する光電変換手段を有する画素部が２次元配列する固体撮像装置であって、カラーフィルタを搭載せず、受光面積を異ならせて多種類の感度性能をもつ画素部が、複数個配置されていることを特徴とする。
【００１３】
これによっても、感度の異なる複数の画素によって、ダイナミックレンジが大幅に広い画像を生成することができる。
また、本発明の固体撮像装置は、光の透過率を異ならせる多種類のフィルタ機能をもつ画素部が、同一行方向に、一定の数量単位で、繰り返し規則的に配置されている個体撮像装置であって、通常撮影時は、前記一定の数量単位の画素部を混合して画像出力を行い、高輝度撮影時は、前記一定の数量単位の画素部のうち、非飽和状態の画素部からの信号のみを選択出力することを特徴とする。
【００１４】
これによれば、同一行の画素部からの信号が順次読み出されるときに、未飽和の画素部からの信号を有効利用し、飽和画素部からの信号を利用しないように制御することで、ダイナミックレンジが大幅に広い画像を生成することができる。
また、本発明の固体撮像装置は、受光面積を異ならせて多種類の感度性能をもつ画素部が、同一行方向に、一定の数量単位で、繰り返し規則的に配置されている固体撮像装置であって、通常撮影時は、前記一定の数量単位の画素部を混合して画像出力を行い、高輝度撮影時は、前記一定の数量単位の画素部のうち、非飽和状態の画素部からの信号のみを選択出力することを特徴とする。
【００１５】
これによれば、同一行の画素部からの信号が順次読み出されるときに、未飽和の画素部からの信号を有効利用し、飽和画素部からの信号を利用しないように制御することで、ダイナミックレンジが大幅に広い画像を生成することができる。
また、本発明の固体撮像装置は、光の透過率および受光面積が同一である画素部が、２次元配列する固体撮像装置であって、各行ごとに露光時間を異ならせる駆動を行うことを特徴とする。
【００１６】
これによれば、長時間露光している行の画素部からの信号と、短時間露光しかしていない行の画素部からの信号とを連続で読み出すことにより、行方向に多種類の感度性能をもつ画素部を有することと同一の機能が果たせ、ダイナミックレンジが大幅に広い画像を生成することができる。
また、本発明の固体撮像装置は、光の透過率を異ならせる多種類のフィルタ機能をもつ画素部が、同一行方向に、一定の数量単位で、繰り返し規則的に配置され、かつ、各行ごとに露光時間を異ならせる駆動を行うことを特徴とする。
【００１７】
これによれば、長時間露光している行の画素部からの信号と、短時間露光しかしていない行の画素部からの信号とを連続で読み出すことにより、行列方向に２次元的に多種類の感度性能をもつ画素部を有することと同一の機能が果たせ、ダイナミックレンジが大幅に広い画像を生成することができる。
また、本発明の固体撮像装置は、受光面積を異ならせて多種類の感度性能をもつ画素部が、同一行方向に、一定の数量単位で、繰り返し規則的に配置され、かつ、各行ごとに露光時間を異ならせる駆動を行うことを特徴とする。
【００１８】
これによっても、長時間露光している行の画素部からの信号と、短時間露光しかしていない行の画素部からの信号とを連続で読み出すことにより、行列方向に２次元的に多種類の感度性能をもつ画素部を有することと同一の機能が果たせ、ダイナミックレンジが大幅に広い画像を生成することができる。
また、本発明の固体撮像装置は、光の透過率を異ならせる多種類のフィルタ機能をもつ画素部が、２次元配列する固体撮像装置であって、通常撮影時は、複数の画素部を混合して画像出力を行い、高輝度撮影時は、個々の画素部から画像出力を行い、非飽和状態の画素部からの信号のみを有効とすることを特徴とする。
【００１９】
これによれば、通常撮影時は、行列方向に２次元的に多種類の感度性能をもつ画素部を混合することで、ダイナミックレンジが広く、かつ解像度も確保することができ、高輝度撮影時は、ダイナミックレンジを大幅に広げた画像を生成することができる。
また、本発明の固体撮像装置は、受光面積を異ならせて多種類の感度性能をもつ画素部が、２次元配列する固体撮像装置であって、通常撮影時は、複数の画素部を混合して画像出力を行い、高輝度撮影時は、個々の画素部から画像出力を行い、非飽和状態の画素部からの信号のみを有効とすることを特徴とする。
【００２０】
これによっても、通常撮影時は、行列方向に２次元的に多種類の感度性能をもつ画素部を混合することで、ダイナミックレンジが広く、かつ解像度も確保することができ、高輝度撮影時は、ダイナミックレンジを大幅に広げた画像を生成することができる。
また、本発明の固体撮像装置は、入射光を電荷に変換する光電変換手段を有する画素部が２次元配列する固体撮像装置であって、光の透過率を異ならせる液晶等を用いた可変型のフィルタを持つ画素部が複数個配置されていることを特徴とする。
【００２１】
これによれば、感度の異なる複数のカラー画素によって、ダイナミックレンジが大幅に広いカラー画像を生成することができる。
また、本発明のカメラは、前記紹介したダイナミックレンジを大幅にひろげることが可能な固体撮像装置を有する。
これによれば、感度の異なる複数の画素によって、ダイナミックレンジが大幅に広い画像を生成することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２２】
本発明を実施するための最良の形態を、図面を参照して詳細に説明する。
（実施の形態１）
図１は、実施の形態１に係る撮像素子の断面図である。
図１（ａ）はラインＬ１の断面図、図１（ｂ）はラインＬ２の断面図をそれぞれ示す。ラインＬ１とＬ２とは隣接したライン同士である。
【００２３】
撮像素子は、半導体基板１、遮光膜４、層間絶縁膜５、光学フィルタ膜６、平坦化膜７、マイクロレンズ８及びカラーフィルタ９ａ、９ｂ、９ｃを備える。
半導体基板１には、光電変換部２及びトランジスタ部３が配設されている。光電変換部２の形成は、同一サイズの開口を有するマスクで半導体基板１を覆った後、イオン注入によりドーパントを半導体基板１に導入することでなされる。
【００２４】
遮光膜４は、半導体基板１を覆い、光電変換部２の対応位置に開口４ａを有する。実施の形態１では、開口４ａの大きさは全ての開口にわたり略同一である。
光学フィルタ膜６は、半導体基板１を覆い、可視光を透過させる機能を有する。光学フィルタ膜６の領域６ａ、６ｂ、６ｃは、それぞれ可視光の透過率が異なり、この順に透過率が小さくなる。可視光の透過率は、光学フィルタ膜を構成する材質、組成比、膜厚等を異ならせることで容易に異ならせることができる。ここでは、光学フィルタ膜６の領域毎に膜厚を異ならせることで、透過率を異ならせている。なお、光学フィルタ膜６を構成する材料としては、窒化シリコン等が考えられる。
【００２５】
カラーフィルタ９ａ、９ｂ、９ｃは、それぞれ赤、緑、青の波長域の光を選択的に透過させる。なお、カラーフィルタ９ａ、９ｂ、９ｃは、ベイヤ配列に準じて配列されているものとする。
層間絶縁膜５、平坦化膜７及びマイクロレンズ８は、撮像素子の一般的な構成要素なので、説明を省略する。
【００２６】
図２は、実施の形態１に係る光学フィルタ膜の平面図である。
カラムＣ１及びＣ２に属する光電変換部２には、光学フィルタ膜６の領域６ａを透過した光が入射されるようになっている。カラムＣ３及びＣ４に属する光電変換部２には、光学フィルタ膜６の領域６ｂを透過した光が入射されるようになっている。カラムＣ５及びＣ６に属する光電変換部２には、光学フィルタ膜６の領域６ｃを透過した光が入射されるようになっている。
【００２７】
図３は、実施の形態１に係る各光電変換部の信号量を示す図である。
ここでは、ラインＬ１乃至Ｌ３、カラムＣ１乃至Ｃ６のみについて示している。実施の形態１では、光学フィルタ膜６の領域６ａ、６ｂ、６ｃがそれぞれ異なる透過率を有するため、光の強度が同じでも領域６ａ、６ｂ、６ｃを透過する光量がそれぞれ異なる。したがって、光電変換部２がどのカラムに属するかによって、光電変換部２で生成される信号量が異なる。可視光の透過率は、光学フィルタ膜６の領域６ａ、６ｂ、６ｃの順に小さくなるので、信号量もこの順に小さくなっている。
【００２８】
図４は、実施の形態１に係る固体撮像装置の構成を示す図である。
固体撮像装置は、撮像素子１００、信号処理部１１０、ストレージ１２０、タイミングジェネレータ１３０、システム制御部１４０を備える。
撮像素子１００は、撮像部１０１、垂直走査回路１０２、水平走査回路１０３及び増幅器１０４を備える。撮像部１０１には、光電変換部２等が二次元配列されている。垂直走査回路１０２及び水平走査回路１０３は、各光電変換部２に蓄積された電荷量に基づく電気信号を順次出力させる。電気信号は増幅器１０４により増幅される。
【００２９】
信号処理部１１０は、フレームメモリ１１１、信号合成回路１１２及び圧縮回路１１３を備える。
フレームメモリ１１１は、撮像素子１００から出力された各電気信号を、フレーム毎に記憶する。
信号合成回路１１２は、所定数の光電変換部毎に電気信号を合成することにより、一の合成信号を取得する。ここでは、同一ラインの隣接する３つの光電変換部を、所定数の光電変換部とする。
【００３０】
圧縮回路１１３は、合成信号にJPEG(Joint Photographic Experts Group)やMPEG(Moving Picture Experts Group)等の画像圧縮を施す。
ストレージ１２０は、画像圧縮されて得られたデータを保存する。
タイミングジェネレータ１３０は、垂直同期信号、水平同期信号等を生成する。垂直同期信号は、垂直走査回路１０２を駆動させる信号である。水平同期信号は、水平走査回路１０３を駆動させる信号である。
【００３１】
システム制御部１４０は、撮影開始のトリガ信号等を生成する。トリガ信号はタイミングジェネレータ１３０を駆動させる信号である。
図５は、実施の形態１に係る固体撮像装置の出力特性を示す図である。
曲線５１、５２、及び５３は、それぞれカラムＣ１、Ｃ３、Ｃ５に属する光電変換部２の出力特性である。曲線５４は、これらの光電変換部の出力信号を信号処理により合成した場合の出力特性である。
【００３２】
カラムＣ１、Ｃ３、Ｃ５に属する光電変換部２は、光学フィルタ膜６の領域６ａ、６ｂ、６ｃによりそれぞれ異なる割合で受光量が抑制されているが、電荷の飽和受光量はいずれも略同一である。したがって、受光量を抑制することで飽和受光量が低減してしまう従来技術に比べてダイナミックレンジを広くすることができる。
また、ここでは、３つの光電変換部の電気信号を合成している。このように、３以上の電気信号を合成することで、合成後の出力特性を滑らかにすることができるとともに、ダイナミックレンジを大幅に広げることができる。
（実施の形態２）
実施の形態２は、受光量を抑制するための構成が実施の形態１と異なる。これ以外の構成については、実施の形態１と同様なので、説明を省略する。
【００３３】
図６は、実施の形態２に係る撮像素子の断面図である。
図６（ａ）はラインＬ１の断面図、図６（ｂ）はラインＬ２の断面図をそれぞれ示す。
撮像素子は、半導体基板１、遮光膜４、層間絶縁膜５、マイクロレンズ８及びカラーフィルタ９ａ、９ｂ、９ｃを備える。
半導体基板１には、光電変換部２及びトランジスタ部３が配設されている。光電変換部２の形成は、同一サイズの開口を有するマスクで半導体基板１を覆った後、イオン注入によりドーパントを半導体基板１に導入することでなされる。
【００３４】
遮光膜４は、半導体基板１を覆い、各光電変換部２の対応位置に開口４ａ、４ｂ、４ｃを有する。実施の形態２では、開口４ａ、４ｂ、４ｃの大きさがそれぞれ異なり、この順に開口の大きさが小さくなる。
カラーフィルタ９ａ、９ｂ、９ｃは、それぞれ赤、緑、青の波長域の光を選択的に透過させる。なお、カラーフィルタ９ａ、９ｂ、９ｃは、ベイヤ配列に準じて配列されているものとする。
【００３５】
図７は、実施の形態２に係る遮光膜の平面図である。
カラムＣ１及びＣ２に属する光電変換部２には、開口４ａを通過した光が入射されるようになっている。カラムＣ３及びＣ４に属する光電変換部２には、開口４ｂを通過した光が入射されるようになっている。カラムＣ５及びＣ６に属する光電変換部２には、開口４ｃを通過した光が入射されるようになっている。このように、開口の大きさを異ならせることで、受光量の抑制の割合を異ならせることができる。
（実施の形態３）
実施の形態３は、白黒撮影用途の撮像素子である点が実施の形態１と異なる。
【００３６】
図８は、実施の形態３に係る撮像素子の断面図である。
撮像素子は、半導体基板１、遮光膜４、層間絶縁膜５、光学フィルタ膜６、平坦化膜７及びマイクロレンズ８を備える。実施の形態３に係る撮像素子は、白黒撮影用なので、カラーフィルタが存在しない。
光学フィルタ膜６は、半導体基板１を覆い、可視光を透過させる機能を有する。光学フィルタ膜６の領域６ａ、６ｂ、６ｃは、それぞれ可視光の透過率が異なり、この順に透過率が小さくなる。可視光の透過率は、光学フィルタ膜を構成する材質、組成比、膜厚等を異ならせることで容易に異ならせることができる。ここでは、光学フィルタ膜６の領域毎に膜厚を異ならせることで、透過率を異ならせている。なお、光学フィルタ膜６を構成する材料としては、窒化シリコン等が考えられる。
【００３７】
図９は、実施の形態３に係る光学フィルタ膜の平面図である。
カラムＣ１及びＣ４に属する光電変換部２には、光学フィルタ膜６の領域６ａを透過した光が入射されるようになっている。カラムＣ２及びＣ５に属する光電変換部２には、光学フィルタ膜６の領域６ｂを透過した光が入射されるようになっている。カラムＣ３及びＣ６に属する光電変換部２には、光学フィルタ膜６の領域６ｃを透過した光が入射されるようになっている。
【００３８】
図１０は、実施の形態３に係る各光電変換部の信号量を示す図である。
ここでは、ラインＬ１乃至Ｌ３、カラムＣ１乃至Ｃ６のみについて示している。実施の形態１では、光学フィルタ膜６の領域６ａ、６ｂ、６ｃがそれぞれ異なる透過率を有するため、光の強度が同じでも領域６ａ、６ｂ、６ｃを透過する光量がそれぞれ異なる。したがって、光電変換部２がどのカラムに属するかによって、光電変換部２で生成される信号量が異なる。可視光の透過率は、光学フィルタ膜６の領域６ａ、６ｂ、６ｃの順に小さくなるので、信号量もこの順に小さくなっている。
（実施の形態４）
実施の形態４は、白黒撮影用途の撮像素子である点が実施の形態２と異なる。
【００３９】
図１１は、実施の形態４に係る撮像素子の断面図である。
撮像素子は、半導体基板１、遮光膜４、層間絶縁膜５及びマイクロレンズ８を備える。実施の形態４に係る撮像素子は、白黒撮影用なので、カラーフィルタが存在しない。
遮光膜４は、半導体基板１を覆い、各光電変換部２の対応位置に開口４ａ、４ｂ、４ｃを有する。実施の形態４では、開口４ａ、４ｂ、４ｃの大きさがそれぞれ異なり、この順に開口の大きさが小さくなる。
【００４０】
図１２は、実施の形態４に係る遮光膜の平面図である。
カラムＣ１及びＣ４に属する光電変換部２には、開口４ａを通過した光が入射されるようになっている。カラムＣ２及びＣ５に属する光電変換部２には、開口４ｂを通過した光が入射されるようになっている。カラムＣ３及びＣ６に属する光電変換部２には、開口４ｃを通過した光が入射されるようになっている。このように、開口の大きさを異ならせることで、受光量の抑制の割合を異ならせることができる。
（実施の形態５）
実施の形態５は、飽和受光量に相当する電荷量を示す電気信号の取扱いが実施の形態１と異なる。すなわち、受光量を抑制する構成としては、実施の形態１と同様に光学フィルタ膜を用いる。
【００４１】
図１３は、実施の形態５に係る固体撮像装置の構成を示す図である。
固体撮像装置は、撮像素子１００、信号処理部１５０、ストレージ１２０、タイミングジェネレータ１３０、システム制御部１４０を備える。
信号処理部１５０は、フレームメモリ１５１、信号合成回路１５２、圧縮回路１５３及び信号レベル判定回路１５４を備える。
【００４２】
信号レベル判定回路１５４は、撮像素子１００から出力された電気信号の電圧が基準電圧よりも高ければ、当該電気信号を信号合成回路１５２にて合成することを禁止する。基準電圧は、飽和受光量に相当する電荷量が蓄積された場合の電気信号の電圧である。
図１４は、実施の形態５に係る各光電変換部の信号量を示す図である。
ここでは、ラインＬ１乃至Ｌ３、カラムＣ１乃至Ｃ６のみについて示している。図中のＱｓａｔは、飽和受光量を示している。図１４（ａ）では、いずれの光電変換部も飽和受光量に達しない（通常撮影時）。この場合には、各光電変換部から得られる電気信号が信号合成回路１５２にて合成される。一方、図１４（ｂ）では、光の強度が強いため、受光量の抑制の割合が比較的小さなカラムＣ１及びＣ４の光電変換部は飽和受光量に達している（高輝度撮影時）。この場合には、カラムＣ１及びＣ４の光電変換部から得られる電気信号は信号合成回路１５２にて合成されない。その結果、２つの光電変換部のみの電気信号から一の合成信号が得られる。
【００４３】
このように、飽和している電気信号の合成を禁止することで、解像度の低下を防止することができる。
（実施の形態６）
実施の形態６は、実施の形態５に係る電気信号の取扱いを実施の形態２に適用したものである。すなわち、受光量を抑制する構成としては、実施の形態２と同様に遮光膜の開口を用いる。
【００４４】
複数の光電変換部のうち、いずれの光電変換部も飽和受光量に達していなければ、各光電変換部から得られる電気信号を信号合成回路１５２にて合成する。一方、複数の光電変換部のうち、いずれかの光電変換部が飽和受光量に達していれば、この光電変換部から得られる電気信号を信号合成回路１５２にて合成しない。その結果、２つの光電変換部のみの電気信号から一の合成信号が得られる。
【００４５】
このように、飽和している電気信号の合成を禁止することで、解像度の低下を防止することができる。
（実施の形態７）
実施の形態７は、受光量を抑制するための構成が実施の形態１と異なる。これ以外の構成については、実施の形態１と同様なので、説明を省略する。
【００４６】
図１５は、実施の形態７に係る固体撮像装置の構成を示す図である。
ここでは、撮像部１０１、垂直走査回路１０２ａ、１０２ｂ、１０２ｃ、水平走査回路１０３、タイミングジェネレータ１３０のみを表している。これ以外の構成要素については、図４に示したとおりである。
撮像部１０１には、光電変換部２等が二次元配列されている。光電変換部２の形成は、同一サイズの開口を有するマスクで半導体基板１を覆った後、イオン注入によりドーパントを半導体基板１に導入することでなされる。したがって、光電変換部２の容積及びドーパント濃度は、全ての光電変換部にわたり略同一となる。その結果、光電変換部２の電荷の飽和受光量は、全ての光電変換部にわたり略同一となる。
【００４７】
垂直走査回路１０２ａは、ラインＬ１及びＬ４に属する光電変換部２を駆動する。垂直走査回路１０２ｂは、ラインＬ２及びＬ５に属する光電変換部２を駆動する。垂直走査回路１０２ｃは、ラインＬ３及びＬ６に属する光電変換部２を駆動する。光電変換部２は、垂直走査回路の駆動に基づき、電荷を蓄積し、蓄積された電荷量に基づく電気信号を出力する。
【００４８】
水平走査回路１０３は、各光電変換部２から出力された電気信号をカラム毎に順次出力する。
図１６は、実施の形態７に係る垂直走査回路の出力パルスを示すタイミング図である。
電子シャッタパルスは、各光電変換部２に蓄積されている電荷を一旦掃き出させるためのパルスである。読み出しパルスは、各光電変換部２に蓄積されている電荷量に基づく電気信号を出力させるためのパルスである。
【００４９】
垂直走査回路１０２ａ、１０２ｂ、１０２ｃは、それぞれ、電子シャッタパルスを出力し、所定期間経過後に読み出しパルスを出力する。ここでは、所定期間は、それぞれ３３ｍＳ、１６．５ｍＳ、８．２５ｍＳである。
図１７は、実施の形態７に係る各光電変換部の信号量を示す図である。
ここでは、ラインＬ１乃至Ｌ３、カラムＣ１乃至Ｃ６のみについて示している。実施の形態３では、垂直走査回路１０２ａ、１０２ｂ、１０２ｃがそれぞれ異なる蓄積期間を指定している。したがって、光電変換部２がどのラインに属するかによって、光電変換部２で生成される信号量が異なる。蓄積期間は、垂直走査回路１０２ａ、１０２ｂ、１０２ｃの順に短くなるので、信号量もこの順に小さくなっている。
（実施の形態８）
実施の形態８は、実施の形態１と実施の形態７との組み合わせである。
【００５０】
すなわち、遮光膜４の開口の大きさはそれぞれ略同一である。光学フィルタ膜６の領域６ａ、６ｂ、６ｃは、それぞれ可視光の透過率が異なり、この順に透過率が小さくなる。垂直走査回路１０２ａ、１０２ｂ、１０２ｃは、それぞれ電子シャッタパルスを出力してから読み出しパルスを出力するまでの期間が異なり、この順に期間が短くなる。
なお、信号合成回路１１２は、隣接する３つのライン及び隣接する３つのカラムに属する９つの光電変換部を、所定数の光電変換部とする。
【００５１】
図１８は、実施の形態８に係る各光電変換部の信号量を示す図である。
ここでは、ラインＬ１乃至Ｌ３、カラムＣ１乃至Ｃ６のみについて示している。  
このように実施の形態１と実施の形態７とを組み合わせることで、受光量の抑制の割合を９段階に設定することができる。
（実施の形態９）
実施の形態９は、実施の形態２と実施の形態７との組み合わせである。
【００５２】
すなわち、遮光膜４ａ、４ｂ、４ｃの開口の大きさがそれぞれ異なり、この順に小さくなる。垂直走査回路１０２ａ、１０２ｂ、１０２ｃは、それぞれ電子シャッタパルスを出力してから読み出しパルスを出力するまでの期間が異なり、この順に期間が短くなる。
なお、信号合成回路１１２は、隣接する３つのライン及び隣接する３つのカラムに属する９つの光電変換部を、所定数の光電変換部とする。
【００５３】
このように実施の形態２と実施の形態７とを組み合わせることで、受光量の抑制の割合を９段階に設定することができる。
（実施の形態１０）
実施の形態１０は、実施の形態５と実施の形態７との組み合わせである。
すなわち、遮光膜４の開口の大きさはそれぞれ略同一である。光学フィルタ膜６の領域６ａ、６ｂ、６ｃは、それぞれ可視光の透過率が異なり、この順に透過率が小さくなる。垂直走査回路１０２ａ、１０２ｂ、１０２ｃは、それぞれ電子シャッタパルスを出力してから読み出しパルスを出力するまでの期間が異なり、この順に期間が短くなる。さらに、信号レベル判定回路１５４は、撮像素子１００から出力された電気信号の電圧が基準電圧よりも高ければ、当該電気信号を信号合成回路１５２にて合成することを禁止する。基準電圧は、飽和受光量に相当する電荷量が蓄積された場合の電気信号の電圧である。
【００５４】
図１９は、実施の形態１０に係る各光電変換部の信号量を示す図である。
ここでは、ラインＬ１乃至Ｌ３、カラムＣ１乃至Ｃ６のみについて示している。図中のＱｓａｔは、飽和受光量を示している。図１９（ａ）では、いずれの光電変換部も飽和受光量に達しない。この場合には、各光電変換部から得られる電気信号が信号合成回路１５２にて合成される。一方、図１９（ｂ）では、光の強度が強いため、受光量の抑制の割合が比較的小さなラインＬ１の光電変換部は飽和受光量に達している。この場合には、ラインＬ１の光電変換部から得られる電気信号は信号合成回路１５２にて合成されない。その結果、６つの光電変換部のみの電気信号から一の合成信号が得られる。
【００５５】
このように、飽和している電気信号の合成を禁止することで、解像度の低下を防止することができる。
（実施の形態１１）
実施の形態１１は、実施の形態５と実施の形態７との組み合わせである。
すなわち、遮光膜４ａ、４ｂ、４ｃの開口の大きさはそれぞれ異なり、この順に開口が小さくなる。垂直走査回路１０２ａ、１０２ｂ、１０２ｃは、それぞれ電子シャッタパルスを出力してから読み出しパルスを出力するまでの期間が異なり、この順に期間が短くなる。さらに、信号レベル判定回路１５４は、撮像素子１００から出力された電気信号の電圧が基準電圧よりも高ければ、当該電気信号を信号合成回路１５２にて合成することを禁止する。基準電圧は、飽和受光量に相当する電荷量が蓄積された場合の電気信号の電圧である。
【００５６】
このように、飽和している電気信号の合成を禁止することで、解像度の低下を防止することができる。
（実施の形態１２）
実施の形態１２は、光学フィルタ膜の構成が実施の形態１と異なる。これ以外の構成については、実施の形態１と同様なので説明を省略する。
【００５７】
図２０は、実施の形態１２に係る撮像素子の断面図である。
ここでは、光学フィルタ膜６ａ、６ｂ、６ｃとして液晶フィルタを採用している。液晶フィルタは印加される電圧に応じて可視光の透過率が異なる。したがって、印加電圧を異ならせることで受光量の抑制の割合を異ならせることができる。
以上、本発明に係る固体撮像装置について、実施の形態に基づいて説明したが、本発明はこれらの実施の形態に限られない。例えば、以下のような変形例が考えられる。
（１）実施の形態では、信号レベル判定回路及び信号合成回路が信号処理部に内蔵されているが、本発明は、これに限らない。
【００５８】
図２１は、変形例に係る固体撮像装置の構成を示す図である。
固体撮像装置は、撮像素子２００、信号処理部２１０、ストレージ２２０、タイミングジェネレータ２３０、システム制御部２４０を備える。
撮像素子２００は、撮像部２０１、垂直走査回路２０２、水平走査回路２０３、増幅器２０４、信号レベル判定回路２０５及び信号合成回路２０６を備える。
【００５９】
信号処理部２１０は、フレームメモリ２１１、及び圧縮回路２１３を備える。
このように、信号レベル判定回路及び信号合成回路を撮像素子２００に内蔵させても構わない。
（２）実施の形態では、受光量の抑制の割合を３段階又は９段階に設定しているが、本発明は、これに限らない。
【００６０】
図２２は、変形例に係る固体撮像装置の出力特性を示す図である。
曲線６１乃至６７は、受光量の抑制の割合がそれぞれ異なる光電変換部２の出力特性である。ここでは、受光量の抑制の割合を７段階に設定している。曲線６８は、これらの光電変換部の出力信号を信号処理により合成した場合の出力特性である。このように、３以上の電気信号を合成することで、合成後の出力特性を滑らかにすることができるとともに、ダイナミックレンジを大幅に広げることができる。
（３）実施の形態では、各光電変換部２の容積及びドーパント濃度を略同一にしている。しかしながら、本発明は、この例に限らない。
【産業上の利用可能性】
【００６１】
本発明は、デジタルカメラ、携帯電話機搭載カメラ、車載カメラ等に利用できる。
【図面の簡単な説明】
【００６２】
【図１】実施の形態１に係る撮像素子の断面図である。
【図２】実施の形態１に係る光学フィルタ膜の平面図である。
【図３】実施の形態１に係る各光電変換部の信号量を示す図である。
【図４】実施の形態１に係る固体撮像装置の構成を示す図である。
【図５】実施の形態１に係る固体撮像装置の出力特性を示す図である。
【図６】実施の形態２に係る撮像素子の断面図である。
【図７】実施の形態２に係る遮光膜の平面図である。
【図８】実施の形態３に係る撮像素子の断面図である。
【図９】実施の形態３に係る光学フィルタ膜の平面図である。
【図１０】実施の形態３に係る各光電変換部の信号量を示す図である。
【図１１】実施の形態４に係る撮像素子の断面図である。
【図１２】実施の形態４に係る遮光膜の平面図である。
【図１３】実施の形態５に係る固体撮像装置の構成を示す図である。
【図１４】実施の形態５に係る各光電変換部の信号量を示す図である。
【図１５】実施の形態７に係る固体撮像装置の構成を示す図である。
【図１６】実施の形態７に係る垂直走査回路の出力パルスを示すタイミング図である。
【図１７】実施の形態７に係る各光電変換部の信号量を示す図である。
【図１８】実施の形態８に係る各光電変換部の信号量を示す図である。
【図１９】実施の形態１０に係る各光電変換部の信号量を示す図である。
【図２０】実施の形態１２に係る撮像素子の断面図である。
【図２１】変形例に係る固体撮像装置の構成を示す図である。
【図２２】変形例に係る固体撮像装置の出力特性を示す図である。
【図２３】従来技術に係る画素の平面図及び固体撮像装置の出力特性を示す図である。
【符号の説明】
【００６３】
１    半導体基板
２    光電変換部
３    トランジスタ部
４    遮光膜
４ａ、４ｂ、４ｃ  開口
５    層間絶縁膜
６    光学フィルタ膜
７    平坦化膜
８    マイクロレンズ
９ａ、９ｂ、９ｃ  カラーフィルタ
１００、２００    撮像素子
１０１、２０１    撮像部
１０２、１０２ａ、１０２ｂ、１０２ｃ、２０２    垂直走査回路
１０３、２０３    水平走査回路
１０４、２０４    増幅器
１１０、１５０    信号処理部
１１１、１５１、２１１    フレームメモリ
１１２、１５２、２０６    信号合成回路
１１３、１５３、２１３    圧縮回路
１２０、２２０    ストレージ
１３０、２３０    タイミングジェネレータ
１４０、２４０    システム制御部
１５４、２０５    信号レベル判定回路
【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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