(57)【要約】【課題】感度を維持し、混色および色モアレの発生を抑制することのできる単板カラー撮像素子を提供する。【解決手段】本発明に係る単板カラー撮像素子は、複数の受光素子を有する撮像素子と、第１、第２および第３のカラーフィルタから構成され受光素子を覆うカラーフィルタアレイとで構成され、受光素子およびカラーフィルタのそれぞれが水平方向対角線長と垂直方向対角線長の比が２対３であるダイアモンド形状であり、撮像素子はウエハ上にダイアモンド形状の撮像素子を隙間なく配列して構成され、カラーフィルタアレイは、第１、第２および第３のカラーフィルタの順に隙間なく水平方向にジグザグに配列した構成を有する。【選択図】図１
2013223020.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の受光素子を有する撮像素子と、第１、第２および第３のカラーフィルタで構成される前記受光素子を覆うカラーフィルタアレイとを備える単板カラー撮像素子であって、
前記受光素子および前記カラーフィルタのそれぞれが水平方向対角線長と垂直方向対角線長の比が２対３であるダイアモンド形状であり、
前記撮像素子が前記ダイアモンド形状の撮像素子を隙間なく配列した構成を有し、
前記カラーフィルタアレイが、前記第１のカラーフィルタ、第２のカラーフィルタおよび第３のカラーフィルタの順に水平方向に隙間なくジグザグ配列した構成を有する単板カラー撮像素子。
【請求項２】
前記撮像素子が２画素共通読み出し構造であり、
上下に隣り合う同色のカラーフィルタで覆われる２つの受光素子のゲートを同時に閉として前記２つの受光素子の電荷を合算して読み出す読み出し部を備える請求項１に記載の単板カラー撮像素子。
【請求項３】
第１のカラーフィルタが赤色フィルタ、第２のカラーフィルタが緑色フィルタ、第３のカラーフィルタが青色フィルタであって、
前記カラーフィルタアレイが、前記赤色カラーフィルタ、前記緑色カラーフィルタ、前記青色カラーフィルタおよび前記緑色カラーフィルタの順に繰り返し水平方向に隙間なくジグザグ配列した構成を有する請求項１に記載の単板カラー撮像素子。
【請求項４】
前記撮像素子が２画素共通読み出し構造であり、
上下または左右に隣り合う前記緑色カラーフィルタで覆われる２つの受光素子のゲートを同時に閉として前記２つの受光素子の電荷を合算して読み出す読み出し部を備える請求項３に記載の単板カラー撮像素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は単板カラー撮像素子に係り、特に、混色および色モアレを抑制することの可能な単板カラー撮像素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
１枚の撮像素子でカラー画像を撮像するために、従来から撮像素子上の各受光素子を異なる分光特性を有するカラーフィルタで覆った単板カラー撮像素子が使用されている。
【０００３】
カラーフィルタは解像度優先の補色配列と色調優先の原色配列に大別できるが、補色配列にあってはフィールド色差順次配列等の、また、原色配列にあってはベイヤー配列等の種々の配列が既に提案されている。
【０００４】
図６は既に提案されているカラーフィルタの配置図であって、（ａ）縦ストライプ配列、（ｂ）トライアングル配列、および（ｃ）斜め配列を示す。
【０００５】
図６（ａ）に示す縦ストライプ（３色ストライプ）と呼ばれる水平方向に３種類のフィルタを順次配列するカラーフィルタは構成が簡単であるために広く用いられているが、画素数の縦横比が規定されている場合には水平方向の分解能が１／３に低減してしまうことを回避できない。
【０００６】
すなわち、水平方向の分解能の低減を阻止するためには、水平方向の受光素子数を縦方向の受光素子数の３倍とすればよいが、画素数の縦横比が規定されているために受光素子を縦横比が３対１の縦長四角形とすることが必要となる。
【０００７】
しかし、高精細画像を撮像するために画素数を増加すると、受光素子およびカラーフィルタはさらに微細となるため、それらの製造は困難となる。
【０００８】
そこで、受光素子の長方形化を回避するための提案もすでに行われている（例えば、特許文献１、特許文献２参照）。
すなわち、特許文献１には図６（ｂ）に示すカラーフィルタのトライアングル（デルタ）配列が開示されている。
さらに、特許文献２には図６（ｃ）に示す斜めに色配列したカラーフィルタが開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特開平７−１０４１１５号公報
【特許文献２】特開２０１０−２６３２２８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
しかしながら、特許文献１に開示された配列は、各受光素子の形状が正方形であるため、画面の縦横比が所定値（例えば９対１６）に規定されている状況で高精細画像の撮像を行うためには、各受光素子の縦長および横長をそれぞれ正方形の１画素の辺長の１／２および２／３とする必要があり、受光素子およびカラーフィルタが微細化することは回避できないという課題がある。
【００１１】
また、特許文献２に開示された配列も、各受光素子の開口形状は正方形であるため、画面の縦横比が所定値（例えば９対１６）に限定されている状況では水平方向の画素数を３倍とすることは不可能である。
さらに、従来の縦ストライプおよび特許文献１に開示されているトライアングル配列は、隣接する受光素子間の距離が十分に確保できないため混色が発生し易いという課題もあった。
【００１２】
本発明は上記課題に鑑みなされたものであって、感度を維持しつつ、混色および色モアレの発生を抑制することのできる単板カラー撮像素子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】
【００１３】
本発明に係る単板カラー撮像素子は、複数の受光素子を有する撮像素子と、第１、第２および第３のカラーフィルタで構成される前記受光素子を覆うカラーフィルタアレイとを備える単板カラー撮像素子であって、前記受光素子および前記カラーフィルタのそれぞれが水平方向対角線長と垂直方向対角線長の比が２対３であるダイアモンド形状であり、前記撮像素子が前記ダイアモンド形状の撮像素子を隙間なく配列した構成を有し、前記カラーフィルタアレイが、前記第１のカラーフィルタ、第２のカラーフィルタおよび第３のカラーフィルタの順に水平方向に隙間なくジグザグ配列した構成を有する。
【００１４】
上記構成によれば、感度を維持しつつ、混色および色モアレの発生を抑制することができる。
【００１５】
本発明に係る単板カラー撮像素子は、前記撮像素子が２画素共通読み出し構造であり、上下に隣り合う同色のカラーフィルタで覆われる２つの受光素子のゲートを同時に閉として前記２つの受光素子の電荷を合算して読み出す読み出し部を備えるものである。
【００１６】
上記構成によれば、感度を２倍とすることができる。
【００１７】
本発明に係る単板カラー撮像素子は、第１のカラーフィルタが赤色フィルタ、第２のカラーフィルタが緑色フィルタ、第３のカラーフィルタが青色フィルタであって、前記カラーフィルタアレイが、前記赤色カラーフィルタ、前記緑色カラーフィルタ、前記青色カラーフィルタおよび前記緑色カラーフィルタの順に繰り返し水平方向に隙間なくジグザグ配列した構成を有する。
【００１８】
上記構成によれば、解像度に大きな影響を与える緑色光に対する解像度を高めることができるだけでなく感度も増すことができる。
【００１９】
本発明に係る単板カラー撮像素子は、前記撮像素子が、２画素共通読み出し構造であり、上下または左右に隣り合う前記緑色カラーフィルタで覆われる２つの受光素子のゲートを同時に閉として前記２つの受光素子の電荷を合算して読み出す読み出し部を備えるものである。
【００２０】
上記構成によれば、解像度は少低下するものの緑色光に対する感度を増すことができる。
【発明の効果】
【００２１】
本発明に係る単板カラー撮像素子によれば、感度を維持しつつ混色および色モアレの発生を抑制することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】本発明に係る撮像素子に適用するカラーフィルタアレイの模式図である。
【図２】本発明に係るダイアモンド配列のカラーフィルタおよび受光素子で構成した撮像素子の水平走査方法を説明するための図である。
【図３】本発明に係るダイアモンド配列の変形例１の構成図である。
【図４】本発明に係るダイアモンド配列の変形例２の構成図である。
【図５】本発明に係るダイアモンド配列の変形例３の構成図である。
【図６】従来のストライプ配列（ａ）、トライアングル配列（ｂ）および斜め配列を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
本発明に係る単板カラー撮像素子は、複数の受光素子を有する撮像素子と、第１、第２および第３のカラーフィルタから構成され受光素子を覆うカラーフィルタアレイとで構成されている。
そして、受光素子およびカラーフィルタのそれぞれが水平方向対角線長と垂直方向対角線長の比が２対３であるダイアモンド形状である。
【００２４】
また、撮像素子はウエハ上にダイアモンド形状の撮像素子を隙間なく配列した構成を有する。
さらに、カラーフィルタアレイは、第１、第２および第３のカラーフィルタの順に隙間なく水平方向にジグザグに配列した構成を有する。
【００２５】
まず、受光素子およびカラーフィルタのそれぞれを水平方向対角線長と垂直方向対角線長の比が２対３であるダイアモンド形状とする理由を説明する。
【００２６】
受光素子およびカラーフィルタの形状を決定するための要件は以下である。
（１）撮像画面の縦横比が所定値（例えば９対１６）に規定されている場合には、受光素子の開口を最大とするためには、受光素子およびカラーフィルタの縦長さを１辺の長さが"ａ"である画素の縦長さと等しくする。
（２）１画素内に３種類のカラーフィルタを均分に配列するために、１つの受光素子およびカラーフィルタの面積を（ａ２／３）とする。
（３）混色を防止するために、隣接する受光素子間の距離をできる限り大きくする。
（４）色モアレの発生を抑制するために、受光素子の形状を水平および垂直の辺のない形状とする。
（５）受光素子をウエハ上に隙間なく配列できる形状とする。
【００２７】
上記５つの要件をすべて満たす形状は垂直方向対角線長が"ａ"のダイアモンド（平行四辺形）形状となる。
【００２８】
ダイアモンド形状の水平方向対角線長をｂとすると、（２）の用件を満たすためには［数１］が成り立つことが必要となる。
【００２９】
【数１】
2013223020.tif 000003
したがって、［数２］が成立する。
【００３０】
【数２】
2013223020.tif 000004
【００３１】
すなわち、上記５つの要件をすべて満たす形状は、水平方向対角線長と垂直方向対角線長の比が２対３であるダイアモンド形状となり、例えばａ＝４．７μｍ（マイクロメートル）とすると、ｂ＝３．１μｍとなる。
図１に、第１のカラーフィルタを緑色フィルタ、第２のカラーフィルタを青色フィルタ、第３のカラーフィルタを赤色フィルタとした場合のカラーフィルタアレイの模式図を示す。
【００３２】
すなわち、本発明に係るカラーフィルタアレイは、Ｒ、Ｇ、Ｂ３種類のダイアモンド形状のカラーフィルタを、Ｒ、Ｇ、Ｂの順に隙間なく辺を接するように水平方向にジグザグ配列した構成を有する。
【００３３】
また、隣接受光素子間の距離は受光素子の内接円で評価することができ、内接円の半径が大きいほど隣接受光素子間の距離も大きくなると考えることができる。
【００３４】
すなわち、受光素子を本発明に係るダイアモンド形状としたときの内接円の半径を半径ｒＤとする。
また、図６に示すストライプ配列およびトライアングル配列としたときの内接円の半径をｒＳおよびｒＴとすると、各半径は［数３］により算出できる。
なお、斜め配列は水平方向の画素数を３倍とすることはできないため、検討対象とはしていない。
【００３５】
【数３】
2013223020.tif 000005
【００３６】
以上の検討結果から、本発明に係るダイアモンド配列が隣接受光素子間の距離が最も大きくなり、混色を防止する上で有効であることが判る。
図２は本発明に係るダイアモンド配列のカラーフィルタおよび受光素子で構成した撮像素子の水平走査方法を説明するための図であって、一点鎖線Ｌで示すようにジグザグに走査すると、カラーパターンＡとカラーパターンＢが交互に使用されることとなる。
【００３７】
すなわち、緑色（Ｇ）に着目すると、半画素（ａ／２）ずつ上下した位置で水平方向に走査されることとなり、以下の利点が生じる。
（１）従来から使用されているストライプ配列では、画素中心が水平方向に一直線にあるため、規則正しい配列を有する被写体（例えば、ビルの遠景）を撮像したときには色モアレが発生し易いが、本発明に係るダイアモンド配列によれば、水平線はジグザグに走査されるため色モアレの発生を抑制することができる。
【００３８】
（２）同じく従来から使用されているトライアングル配列では画素の辺が垂直および水平であるが建築物の辺は鉛直および水平である場合が多いため、被写体のエッジが受光素子にかかる（インフェーズ）ときと、かからない（アウトフェーズ）ときの差が顕著であるが、本発明に係るダイアモンド配列では、受光素子の辺が斜めであるため、インフェーズとアウトフェーズの差を緩和することができる。
【００３９】
なお、本発明に係るダイアモンド配列に対しては、いくつかの変形例が考えられる。
【００４０】
［変形例１］
図３は本発明に係るダイアモンド配列の変形例１の構成図であって、２画素共通読み出し構造の撮像素子において、上下に隣り合う同色のカラーフィルタで覆われる２つの受光素子のゲートを同時に閉として２つの受光素子の電荷を合算して読み出す読み出し部を備える。
ここで、２画素共通読み出し構造とは、読み出し回路を削減するために、２つの受光素子を、ゲートを介して１つの読み出し回路に接続し、ゲートの切り替えにより読み出す受光素子を選択可能な構造をいう。
【００４１】
２画素共通読み出し構造の受光素子にあっては、一方のゲートをオン、他方のゲートをオフとし１つの受光素子を読み出し回路に接続させるのが通常の使用方法である。
本実施例においては、２つのゲートを同時にオンとして２つの受光素子の電荷を信号読み出し用フローティングデフュージョン（ＦＤ）のゲート容量で合算されるように使用する。
この結果、解像度は半分となるものの感度を２倍向上することが可能となる。
【００４２】
なお、ハードウエア的に接続せずに、ソフトウエア的に複数の受光素子の出力を加算することも可能である。
この場合には、加算対象をソフトウエアで変更可能となり、用途に合わせて柔軟な処理が可能となる。ただし、２つの受光素子の出力信号を電気的に加算した場合は雑音に対する感度の向上の相対比（ＳＮ比改善率）は（２の平方根）＝１．４倍に留まることとなる。
【００４３】
［変形例２］
図４は本発明に係るダイアモンド配列の変形例２の構成図であって、緑色フィルタを赤色あるいは青色フィルタの倍とし、上下に隣り合う２つの受光素子をハードウエア的に接続した構成である。この構成により、画像の解像度に大きな影響を与える緑色の画素数を多くすることが可能となり、３原色の画素数を同数とした場合に比較して画像の解像度を改善することが可能となる。
【００４４】
［変形例３］
図５は本発明に係るダイアモンド配列の変形例３の構成図であって、緑色フィルタを赤色あるいは青色フィルタの倍とするとともに、撮像素子を２画素共通読み出し構造とし、左右に隣り合う緑色用受光素子の電荷を合算して読み出す読み出し部を備える。
【００４５】
この構成により、緑色用受光素子のゲートを同時にオンとしたときには、Ｒ、Ｇ、Ｂの空間サンプリング間隔を同一にすることができるだけでなく、緑色に対する感度を向上させて画像全体の感度も向上させることができる。
【産業上の利用可能性】
【００４６】
本発明によれば、感度を維持しつつ混色および色モアレの発生を抑制することが可能な単板カラー撮像素子が提供され、産業上有用である。
【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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