(57)【要約】【課題】画素で受光される光量の低下を抑制しつつ、サブ画素の感度を異ならせる。【解決手段】各画素Ｐ１〜Ｐ４は、４個のサブ画素Ｓ１〜Ｓ４に分割され、各画素Ｐ１〜Ｐ４上には、マイクロレンズＭＬ１、ＭＬ２が配置され、マイクロレンズＭＬ１、ＭＬ２は、各画素Ｐ１〜Ｐ４において、サブ画素Ｓ２、Ｓ３に比べてサブ画素Ｓ１、Ｓ４への入射光量を増大させる。【選択図】図２
2017046020.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
互いに独立して読み出し可能な第１サブ画素と第２サブ画素とに分割された画素と、
前記画素の少なくとも前記第１サブ画素上に設けられているマイクロレンズとを備え
前記第２サブ画素に比べて、前記第１サブ画素への入射光量が多い固体撮像装置。
【請求項２】
前記第１サブ画素上に設けられた第１カラーフィルタと、
前記第２サブ画素上に設けられ、前記第１カラーフィルタと同色の第２カラーフィルタとを備え、
前記第１カラーフィルタは前記第２カラーフィルタと高さが異なる請求項１に記載の固体撮像装置。
【請求項３】
前記第２サブ画素には、遮光層が設けられる請求項１または２に記載の固体撮像装置。
【請求項４】
前記画素は、第１サブ画素と第２サブ画素と第３サブ画素と第４サブ画素とに分割され、
前記第１サブ画素と前記第４サブ画素は前記画素の第１対角方向に配置され、前記第２サブ画素と前記第３サブ画素は前記画素の第２対角方向に配置され、
前記マイクロレンズは前記第１サブ画素と前記第４サブ画素に対してそれぞれ集光するように設けられ、前記第２サブ画素と前記第３サブ画素に対して集光するマイクロレンズが設けられていない請求項１から３のいずれか１項に記載の固体撮像装置。
【請求項５】
前記マイクロレンズは、前記第２サブ画素と前記第３サブ画素にはみ出している請求項４に記載の固体撮像装置。
【請求項６】
前記第１サブ画素と第２サブ画素と第３サブ画素と第４サブ画素は同色画素で構成され、
前記画素は、第１画素と第２画素と第３画素と第４画素とを備え、
前記第１画素と前記第２画素と前記第３画素と前記第４画素とはベイヤ配列されている請求項３から５のいずれか１項に記載の固体撮像装置。
【請求項７】
前記第１サブ画素と前記第２サブ画素と前記第３サブ画素と前記第４サブ画素とで共有されるフローティングディフュージョンを備える請求項４に記載の固体撮像装置。
【請求項８】
前記第１サブ画素と前記第２サブ画素と前記第３サブ画素と前記第４サブ画素とは互いに独立して読み出し可能である請求項４に記載の固体撮像装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施形態は、固体撮像装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
固体撮像装置では、多種多様な照明環境下において、感度の低下を抑制しつつ、ダイナミックレンジを向上させるために、個別に読み出し可能な複数のサブ画素で１つの画素を構成することがある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１０−２８４２３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
本発明の一つの実施形態は、画素で受光される光量の低下を抑制しつつ、サブ画素の感度を異ならせることが可能な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】
【０００５】
本発明の一つの実施形態によれば、互いに独立して読み出し可能な第１サブ画素と第２サブ画素とに分割された画素と、前記画素上に設けられ、前記第２サブ画素に比べて前記第１サブ画素への入射光量を増大させるマイクロレンズとを備える。
【図面の簡単な説明】
【０００６】
【図１】図１は、第１実施形態に係る固体撮像装置の概略構成を示すブロック図である。
【図２】図２（ａ）は、図１の固体撮像装置の４画素分の構成例を示す平面図、図２（ｂ）は、図２（ａ）のＡ−Ａ線で切断した構成例を示す断面図である。
【図３】図３は、図１の固体撮像装置の１画素分の構成例を示す回路図である。
【図４】図４（ａ）は、図１の固体撮像装置のサブ画素の感度計算に用いた構成を示す断面図、図４（ｂ）は、図１の固体撮像装置のサブ画素の感度と波長との関係を示す図である。
【図５】図５（ａ）は、第２実施形態に係る固体撮像装置の４画素分の構成例を示す平面図、図５（ｂ）は、図５（ａ）のＢ−Ｂ線で切断した構成例を示す断面図である。
【図６】図６は、第３実施形態に係る固体撮像装置のサブ画素の構成例を示す断面図である。
【図７】図７は、第４実施形態に係る固体撮像装置の４画素分の構成例を示す平面図である。
【図８】図８は、第５実施形態に係る固体撮像装置の４画素分の構成例を示す平面図である。
【図９】図９は、第６実施形態に係る固体撮像装置の４画素分の構成例を示す平面図である。
【図１０】図１０は、第７実施形態に係る固体撮像装置の４画素分の構成例を示す平面図である。
【図１１】図１１は、第８実施形態に係る固体撮像装置の４画素分の構成例を示す平面図である。
【図１２】図１２（ａ）は、第９実施形態に係る固体撮像装置の４画素分の構成例を示す平面図、図１２（ｂ）は、図１２（ａ）のＡ−Ａ線で切断した構成例を示す断面図である。
【図１３】図１３（ａ）〜図１３（ｄ）は、第１０実施形態に係る固体撮像装置の１画素分のサブ画素の読み出し方法を示す図である。
【図１４】図１４は、第１１実施形態に係る固体撮像装置が適用されるデジタルカメラの概略構成を示すブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【０００７】
以下に添付図面を参照して、実施形態に係る固体撮像装置を詳細に説明する。なお、これらの実施形態により本発明が限定されるものではない。
【０００８】
（第１実施形態）
図１は、第１実施形態に係る固体撮像装置の概略構成を示すブロック図である。
図１において、画素アレイ部１には、光電変換した電荷を蓄積する画素ＰＸがロウ方向ＲＤおよびカラム方向ＣＤにアレイ状に配置されている。また、この画素アレイ部１において、ロウ方向ＲＤには画素ＰＸの読み出し制御を行う水平制御線Ｈｌｉｎが設けられ、カラム方向ＣＤには画素ＰＸから読み出された信号を伝送する垂直信号線Ｖｌｉｎが設けられている。
【０００９】
また、固体撮像装置には、読み出し対象となる画素ＰＸを垂直方向に走査する垂直走査回路２、画素ＰＸとの間でソースフォロア動作を行うことにより、画素ＰＸから垂直信号線Ｖｌｉｎにカラムごとに信号を読み出す負荷回路３、各画素ＰＸの信号成分をＣＤＳにてカラムごとに検出し、ＡＤ変換して出力するカラムＡＤＣ回路４、読み出し対象となる画素ＰＸを水平方向に走査する水平走査回路５、カラムＡＤＣ回路４に基準電圧ＶＲＥＦを出力する基準電圧発生回路６および各画素ＰＸの読み出しや蓄積のタイミングを制御するタイミング制御回路７が設けられている。なお、基準電圧ＶＲＥＦはランプ波を用いることができる。水平走査回路５は、カラムＡＤＣ回路４でパラレルに生成されたＡＤ変換値を水平方向にシリアルに転送する水平レジスタを用いることができる。
【００１０】
画素アレイ部１では、撮像画像をカラー化するために、４個の画素Ｐ１〜Ｐ４を１組としたベイヤ配列ＨＰを用いることができる。このベイヤ配列ＨＰでは、ベイヤ配列ＨＰの第１の対角方向に２個の緑色画素Ｇｒ、Ｇｂが配置され、ベイヤ配列ＨＰの第２の対角方向に１個の赤色画素Ｒと１個の青色画素Ｂが配置される。
【００１１】
そして、垂直走査回路２にて画素ＰＸが垂直方向に走査されることで、ロウ方向ＲＤに画素ＰＸが選択される。そして、負荷回路３において、その画素ＰＸとの間でソースフォロア動作が行われることにより、画素ＰＸから読み出された信号が垂直信号線Ｖｌｉｎを介して伝送され、カラムＡＤＣ回路４に送られる。また、基準電圧発生回路６において、基準電圧ＶＲＥＦとしてランプ波が設定され、カラムＡＤＣ回路４に送られる。そして、カラムＡＤＣ回路４において、画素ＰＸから読み出された信号レベルとリセットレベルがランプ波のレベルに一致するまでクロックのカウント動作が行われ、その時の信号レベルとリセットレベルとの差分がとられることで各画素ＰＸの信号成分がＣＤＳにて検出され、出力信号Ｓｏｕｔとして出力される。
【００１２】
図２（ａ）は、図１の固体撮像装置の４画素分の構成例を示す平面図、図２（ｂ）は、図２（ａ）のＡ−Ａ線で切断した構成例を示す断面図である。
図２（ａ）および図２（ｂ）において、各画素Ｐ１〜Ｐ４は、４個のサブ画素Ｓ１〜Ｓ４に分割されている。これらのサブ画素Ｓ１〜Ｓ４は、ロウ方向ＲＤおよびカラム方向ＣＤに各画素Ｐ１〜Ｐ４を均等に２分割することで構成することができる。サブ画素Ｓ１〜Ｓ４は、互いに独立して読み出し可能である。また、サブ画素Ｓ１〜Ｓ４は、互いに独立して蓄積時間を設定することができる。サブ画素Ｓ１、Ｓ４は各画素Ｐ１〜Ｐ４の第１対角方向に配置し、サブ画素Ｓ２、Ｓ３は各画素Ｐ１〜Ｐ４の第２対角方向に配置することができる。
ここで、図２（ｂ）に示すように、各サブ画素Ｓ１〜Ｓ４は、半導体基板２０に形成されている。半導体基板２０には、サブ画素Ｓ１〜Ｓ４ごとに光電変換層２１が設けられている。なお、半導体基板２０の材料は、例えば、Ｓｉ、Ｇｅ、ＳｉＧｅ、ＳｉＣ、ＳｉＳｎ、ＰｂＳ、ＧａＡｓ、ＩｎＰ、ＩｎＧａＡｓＰ、ＧａＰ、ＧａＮおよびＺｎＳｅなどから選択することができる。半導体基板２０の導電型はＰ型、光電変換層２１の導電型はＮ型に設定することができる。
【００１３】
各画素Ｐ１〜Ｐ４上には、２個のマイクロレンズＭＬ１、ＭＬ２が配置されている。マイクロレンズＭＬ１、ＭＬ２の材料は、例えば、アクリルまたはポリカーボネートなどの透明樹脂を用いることができる。マイクロレンズＭＬ１、ＭＬ２は、各画素Ｐ１〜Ｐ４において、サブ画素Ｓ２、Ｓ３に比べてサブ画素Ｓ１、Ｓ４への入射光量を増大させることができる。この時、マイクロレンズＭＬ１、ＭＬ２は、各画素Ｐ１〜Ｐ４に入射する入射光ＬＩをサブ画素Ｓ２、Ｓ３に集光しないようにしてサブ画素Ｓ１、Ｓ４に集光することができる。すなわち、マイクロレンズＭＬ１、ＭＬ２は、サブ画素Ｓ１、Ｓ４に対して入射光ＬＩをそれぞれ集光するように設けることができる。一方、サブ画素Ｓ２、Ｓ３に対しては、入射光ＬＩをそれぞれ集光するマイクロレンズを設けないようにすることができる。この時、マイクロレンズＭＬ１、ＭＬ２は、サブ画素Ｓ１、Ｓ４にそれぞれ重なるとともに、サブ画素Ｓ２、Ｓ３にはみ出すようにしてもよい。この場合、サブ画素Ｓ２、Ｓ３の感度は、サブ画素Ｓ１、Ｓ４の感度の０．２〜０．３倍の範囲内に設定することができる。サブ画素Ｓ１、Ｓ４の感度は、マイクロレンズＭＬ１、ＭＬ２がない場合に比べて１．６倍〜１．９倍の範囲内に設定することができる。この時、マイクロレンズＭＬ１、ＭＬ２の径または高さを調整することでサブ画素Ｓ１、Ｓ４の感度を調整することができる。
【００１４】
画素Ｐ１にはグリーンフィルタＦＧが設けられている。画素Ｐ３にはレッドフィルタＦＲが設けられている。同様に、画素Ｐ２にはブルーフィルタを設けることができる。画素Ｐ４にはグリーンフィルタを設けることができる。この時、半導体基板２０上には反射防止膜２２を設けるようにしてもよい。また、グリーンフィルタＦＧおよびレッドフィルタＦＲ上に、透明スペーサ層２３を設けるようにしてもよい。透明スペーサ層２３は、光電変換層２１での入射光ＬＩの集光深さを調整することができる。
【００１５】
ここで、各画素Ｐ１〜Ｐ４上にマイクロレンズＭＬ１、ＭＬ２を設けることにより、サブ画素Ｓ２、Ｓ３上の入射光ＬＩの一部をサブ画素Ｓ１、Ｓ４に入射させることができる。このため、各画素Ｐ１〜Ｐ４に入射する入射光ＬＩを遮蔽することなく、サブ画素Ｓ２、Ｓ３の感度を低下させることが可能となるとともに、サブ画素Ｓ１、Ｓ４の感度を増大させることができる。この結果、各画素Ｐ１〜Ｐ４で受光される光量の低下を抑制しつつ、サブ画素Ｓ１、Ｓ４とサブ画素Ｓ２、Ｓ３との感度を互いに異ならせることが可能となる。
【００１６】
図３は、図１の固体撮像装置の１画素分の構成例を示す回路図である。
図３において、１つの画素ＰＸには、フォトダイオードＰＤ１〜ＰＤ４、行選択トランジスタＴＤ、増幅トランジスタＴＡ、リセットトランジスタＴＲおよび読み出しトランジスタＴＥ１〜ＴＥ４が設けられている。フォトダイオードＰＤ１〜ＰＤ４は、サブ画素Ｓ１〜Ｓ４にそれぞれ用いることができる。ここで、行選択トランジスタＴＤ、増幅トランジスタＴＡおよびリセットトランジスタＴＲはフォトダイオードＰＤ１〜ＰＤ４にて共用されている。読み出しトランジスタＴＥ１〜ＴＥ４は、フォトダイオードＰＤ１〜ＰＤ４ごとに設けられている。また、増幅トランジスタＴＡとリセットトランジスタＴＲと読み出しトランジスタＴＥ１〜ＴＥ４との接続点には検出ノードとしてフローティングディフュージョンＦＤが形成されている。
【００１７】
そして、読み出しトランジスタＴＥ１のソースは、フォトダイオードＰＤ１に接続され、読み出しトランジスタＴＥ２のソースは、フォトダイオードＰＤ２に接続され、読み出しトランジスタＴＥ３のソースは、フォトダイオードＰＤ３に接続され、読み出しトランジスタＴＥ４のソースは、フォトダイオードＰＤ４に接続されている。また、リセットトランジスタＴＲのソースは、読み出しトランジスタＴＥ１〜ＴＥ４のドレインに接続され、リセットトランジスタＴＲおよび増幅トランジスタＴＡのドレインは、電源電位ＶＤＤに接続されている。また、行選択トランジスタＴＤのソースは、垂直信号線Ｖｌｉｎに接続され、増幅トランジスタＴＡのゲートは、読み出しトランジスタＴＥ１〜ＴＥ４のドレインに接続され、行選択トランジスタＴＤのドレインは、増幅トランジスタＴＡのソースに接続されている。各読み出しトランジスタＴＥ１〜ＴＥ４のゲートには、リード信号ＲＥＡＤ１〜ＲＥＡＤ４が印加される。リセットトランジスタＴＲのゲートには、リセット信号ＲＥＳＥＴが印加される。行選択トランジスタＴＤのゲートには、行選択信号ＡＤＲが印加される。リード信号ＲＥＡＤ１〜ＲＥＡＤ４、リセット信号ＲＥＳＥＴおよび行選択信号ＡＤＲは、図１の水平制御線Ｈｌｉｎを介してロウ方向ＲＤに伝送される。各フォトダイオードＰＤ１〜ＰＤ４から読み出された画素信号Ｖｓｉｇは、図１の垂直信号線Ｖｌｉｎを介してカラム方向ＣＤに伝送される。
【００１８】
ここで、サブ画素Ｓ１、Ｓ４は高感度画素、サブ画素Ｓ２、Ｓ３は低感度画素として用いることができる。低感度画素は露光時間を長くした場合においても、画素信号が飽和しにくくすることができる。このため、フリッカに起因する撮像画像のチラつきを防止するために低感度画素を用いることができる。
また、高感度画素と低感度画素とから画素信号を交互に読み出し、それらの画素信号を合成することでダイナミクレンジを向上させることができる。高感度画素と低感度画素とから画素信号を交互に読み出す場合、高感度画素と低感度画素とから画素信号をラインごとに交互に読み出してもよいし、高感度画素と低感度画素とから画素信号をフレームごとに交互に読み出してもよい。高感度画素と低感度画素とから画素信号をラインごとに交互に読み出す方法では、高感度画素と低感度画素とから画素信号をフレームごとに交互に読み出す方法に比べてフレームレートを２倍にすることができる。なお、フレームレートは、単位時間当たりに読み出し可能なフレーム数である。
高感度画素から画素信号を読み出す場合、サブ画素Ｓ１、Ｓ４から画素信号を同時に読み出してもよいし、サブ画素Ｓ１、Ｓ４から画素信号を別個に読み出してもよい。サブ画素Ｓ１、Ｓ４から画素信号を同時に読み出す場合、電荷加算ビニングを行うことができる。この電荷加算ビニングでは、各サブ画素Ｓ１、Ｓ４に蓄積された電荷を同時にフローティングディフュージョンＦＤに読み出すことができる。サブ画素Ｓ１、Ｓ４から画素信号を同時に読み出す場合、サブ画素Ｓ１、Ｓ４から画素信号を別個に読み出す場合に比べて、フレームレートおよび感度を２倍に向上させることができる。
また、低感度画素から画素信号を読み出す場合、サブ画素Ｓ２、Ｓ３から画素信号を同時に読み出してもよいし、サブ画素Ｓ２、Ｓ３から画素信号を別個に読み出してもよい。サブ画素Ｓ２、Ｓ３から画素信号を同時に読み出す場合、電荷加算ビニングを行うことができる。この電荷加算ビニングでは、各サブ画素Ｓ２、Ｓ３に蓄積された電荷を同時にフローティングディフュージョンＦＤに読み出すことができる。サブ画素Ｓ２、Ｓ３から画素信号を同時に読み出す場合、サブ画素Ｓ２、Ｓ３から画素信号を別個に読み出す場合に比べて、フレームレートおよび感度を２倍に向上させることができる。
【００１９】
図４（ａ）は、図１の固体撮像装置のサブ画素の感度計算に用いた構成を示す断面図、図４（ｂ）は、図１の固体撮像装置のサブ画素の感度と波長との関係を示す図である。なお、図４（ｂ）において、ＥＲ１は図１の赤色画素Ｒのサブ画素Ｓ１、Ｓ４の感度、ＥＲ２は図１の赤色画素Ｒのサブ画素Ｓ２、Ｓ３の感度、ＥＧ１は図１の各緑色画素Ｇｒ、Ｇｂのサブ画素Ｓ１、Ｓ４の感度、ＥＧ２は図１の各緑色画素Ｇｒ、Ｇｂのサブ画素Ｓ２、Ｓ３の感度、ＥＢ１は図１の青色画素Ｂのサブ画素Ｓ１、Ｓ４の感度、ＥＢ２は図１の青色画素Ｂのサブ画素Ｓ２、Ｓ３の感度を示す。
図４（ａ）において、図２（ｂ）の反射防止膜２２として、反射防止膜２２Ａ、２２Ｂの積層構造が用いられている。反射防止膜２２Ａの材料は、シリコン窒化膜、反射防止膜２２Ｂの材料は、シリコン酸化膜を用いることができる。マイクロレンズＭＬ１、ＭＬ２および透明スペーサ層２３上には、反射防止膜２５が設けられている。反射防止膜２５の材料は、シリコン酸化膜を用いることができる。この時、図４（ａ）に示すように、赤色画素Ｒ、青色画素Ｂおよび緑色画素Ｇｒ、Ｇｂのそれぞれにおいて、サブ画素Ｓ２、Ｓ３の感度は、サブ画素Ｓ１、Ｓ４の感度の０．２〜０．３倍の範囲内に設定することができる。
【００２０】
（第２実施形態）
図５（ａ）は、第２実施形態に係る固体撮像装置の４画素分の構成例を示す平面図、図５（ｂ）は、図５（ａ）のＢ−Ｂ線で切断した構成例を示す断面図である。
図５（ａ）および図５（ｂ）の構成では、図２（ａ）および図２（ｂ）の構成にマイクロレンズＭＬ１´、ＭＬ２´が追加されている。それ以外の構成は、図２（ａ）および図２（ｂ）と同様である。マイクロレンズＭＬ１´、ＭＬ２´は、各画素Ｐ１〜Ｐ４に入射する入射光ＬＩをサブ画素Ｓ２、Ｓ３に集光することができる。マイクロレンズＭＬ１´、ＭＬ２´は、サブ画素Ｓ２、Ｓ３上にそれぞれ配置することができる。マイクロレンズＭＬ１´、ＭＬ２´は、マイクロレンズＭＬ１、ＭＬ２に比べて径および高さを小さくすることができる。
【００２１】
ここで、各画素Ｐ１〜Ｐ４上にマイクロレンズＭＬ１、ＭＬ２、ＭＬ１´、ＭＬ２´を設けることにより、サブ画素Ｓ２、Ｓ３の感度を低下させることが可能となるとともに、サブ画素Ｓ１、Ｓ４の感度を増大させることができる。このため、各画素Ｐ１〜Ｐ４で受光される光量の低下を抑制しつつ、サブ画素Ｓ１、Ｓ４とサブ画素Ｓ２、Ｓ３との感度を互いに異ならせることが可能となる。この時、マイクロレンズＭＬ１、ＭＬ２とマイクロレンズＭＬ１´、ＭＬ２´との境界において、マイクロレンズＭＬ１´、ＭＬ２´がサブ画素Ｓ１、Ｓ４への入射光ＬＩの入射の邪魔になることがある。このため、マイクロレンズＭＬ１、ＭＬ２とマイクロレンズＭＬ１´、ＭＬ２´との間に間隔を開けるようにしてもよい。
【００２２】
（第３実施形態）
図６は、第３実施形態に係る固体撮像装置のサブ画素の構成例を示す断面図である。
図６において、画素Ｐ１のサブ画素Ｓ１、Ｓ４上にはグリーンフィルタＦＧが設けられ、画素Ｐ１のサブ画素Ｓ２、Ｓ３上にはグリーンフィルタＦＧ´が設けられている。また、画素Ｐ３のサブ画素Ｓ１、Ｓ４上にはレッドフィルタＦＲが設けられ、画素Ｐ３のサブ画素Ｓ２、Ｓ３上にはレッドフィルタＦＲ´が設けられている。それ以外の構成は、図２（ａ）および図２（ｂ）と同様である。グリーンフィルタＦＧ´およびレッドフィルタＦＲ´は、グリーンフィルタＦＧおよびレッドフィルタＦＲよりも高さを低くすることができる。グリーンフィルタＦＧ´およびレッドフィルタＦＲ´上には、グリーンフィルタＦＧおよびレッドフィルタＦＲと高さを揃える透明スペーサ層２６が設けられている。ここで、グリーンフィルタＦＧ´およびレッドフィルタＦＲ´の高さは、マイクロレンズＭＬ１、ＭＬ２にて集光される光路がグリーンフィルタＦＧ´およびレッドフィルタＦＲ´を通らないように設定することができる。この時、例えば、レッドフィルタＦＲ上のマイクロレンズＭＬ１がグリーンフィルタＦＧ´上にはみ出している場合においても、マイクロレンズＭＬ１の外周部で集光される入射光ＬＩがグリーンフィルタＦＧ´を通ることなくレッドフィルタＦＲに入射することができ、混色を低減することができる。
【００２３】
（第４実施形態）
図７は、第４実施形態に係る固体撮像装置の４画素分の構成例を示す平面図である。
図７の構成では、図１の画素Ｐ１、Ｐ４として、緑色画素Ｇｒ、Ｇｂの代わりに白色画素Ｗが設けられている。それ以外の構成は図２（ａ）と同様である。白色画素Ｗは、赤色、青色および緑色に感度を持つことができる。図７の構成では、図２（ａ）の構成に比べて感度を向上させることができる。
【００２４】
（第５実施形態）
図８は、第５実施形態に係る固体撮像装置の４画素分の構成例を示す平面図である。
図８の構成では、図１の各画素Ｐ１〜Ｐ４のサブ画素Ｓ１には白色画素Ｗが用いられている。それ以外の構成は図２（ａ）と同様である。図８の構成では、図２（ａ）の構成に比べて感度を向上させることができる。また、図８の構成では、図７の構成に比べて、暗いシーンでの色再現性を向上させることができる。
【００２５】
（第６実施形態）
図９は、第６実施形態に係る固体撮像装置の４画素分の構成例を示す平面図である。
図９の構成では、図１の各画素Ｐ１〜Ｐ４のサブ画素Ｓ１、Ｓ４には白色画素Ｗが用いられている。それ以外の構成は図２（ａ）と同様である。図９の構成では、図２（ａ）の構成に比べて感度を向上させることができる。また、図９の構成では、図７の構成に比べて、暗いシーンでの色再現性を向上させることができる。
【００２６】
（第７実施形態）
図１０は、第７実施形態に係る固体撮像装置の４画素分の構成例を示す平面図である。
図１０の構成では、図１の各画素Ｐ１〜Ｐ４のサブ画素Ｓ２には白色画素Ｗが用いられている。それ以外の構成は図２（ａ）と同様である。図１０の構成では、図２（ａ）の構成に比べて感度を向上させることができる。また、図８の構成では、サブ画素Ｓ１に白色画素Ｗが用いられているので、明るいシーンでサブ画素Ｓ１がサブ画素Ｓ４に比べて飽和しやすくなり、ＲＧＢの感度が十分に得られず、色ノイズが増大する。これに対して、図１０の構成では、サブ画素Ｓ２に白色画素Ｗが用いられているので、明るいシーンでサブ画素Ｓ１がサブ画素Ｓ４に比べて飽和しやすくなるのを防止することができ、図８の構成に比べてＲＧＢの感度が十分に得られることから、色ノイズを低減することができる。
【００２７】
（第８実施形態）
図１１は、第８実施形態に係る固体撮像装置の４画素分の構成例を示す平面図である。
図１１の構成では、図１の各画素Ｐ１〜Ｐ４のサブ画素Ｓ１、Ｓ２には白色画素Ｗが用いられている。それ以外の構成は図２（ａ）と同様である。図１１の構成では、各サブ画素Ｓ１〜Ｓ４の感度を互いに異ならせることができる。すなわち、各画素Ｐ１〜Ｐ４において、サブ画素Ｓ１を最も高くし、サブ画素Ｓ４をサブ画素Ｓ１より低くし、サブ画素Ｓ２をサブ画素Ｓ４より低くし、サブ画素Ｓ３を最も低くすることができる。この時、サブ画素Ｓ１を超高感度画素、サブ画素Ｓ４を高感度画素、サブ画素Ｓ４を低感度画素、サブ画素Ｓ３を超低感度画素として用いることができる。各サブ画素Ｓ１〜Ｓ４から画素信号を別個に読み出し、これら４個の画素信号を合成することでダイナミックレンジを向上させることができる。
【００２８】
（第９実施形態）
図１２（ａ）は、第９実施形態に係る固体撮像装置の４画素分の構成例を示す平面図、図１２（ｂ）は、図１２（ａ）のＡ−Ａ線で切断した構成例を示す断面図である。
図１２（ａ）および図１２（ｂ）の構成では、図２（ａ）および図２（ｂ）のサブ画素Ｓ２、Ｓ３の代わりにサブ画素Ｓ２´、Ｓ３´が設けられている。それ以外の構成は図２（ａ）および図２（ｂ）と同様である。サブ画素Ｓ２´、Ｓ３´には、遮光層２４が設けられている。遮光層２４は入射光ＬＩを遮光することができる。遮光層２４は、サブ画素Ｓ２´、Ｓ３´の周囲に配置することができる。この時、遮光層２４はグリッドを構成することができる。また、遮光層２４は、グリーンフィルタＦＧ内およびレッドフィルタＦＲ内に埋め込んだり、グリーンフィルタＦＧとレッドフィルタＦＲとの間に埋め込んだりすることができる。遮光層２４の材料は、ＡｌまたがＷなどの金属を用いることができる。
ここで、サブ画素Ｓ２´、Ｓ３´に遮光層２４を設けることで、サブ画素Ｓ２´、Ｓ３´への入射光量を低減させることができ、サブ画素Ｓ２´、Ｓ３´の低感度化を図ることができる。
なお、図１２（ａ）および図１２（ｂ）の構成では、サブ画素Ｓ２´、Ｓ３´に遮光層２４を設けた構成について示したが、サブ画素Ｓ３´のみに遮光層２４を設け、サブ画素Ｓ２´には遮光層２４を設けないようにしてもよい。この時、サブ画素Ｓ２´、Ｓ３´間で感度を互いに異ならせることができる。この時、サブ画素Ｓ１、Ｓ４を高感度画素、サブ画素Ｓ２´を中感度画素、サブ画素Ｓ３´を低感度画素として用いることができ、サブ画素Ｓ１、Ｓ４、Ｓ２´、Ｓ３´の画素信号を合成することでダイナミックレンジを向上させることができる。
【００２９】
（第１０実施形態）
図１３（ａ）〜図１３（ｄ）は、第１０実施形態に係る固体撮像装置の１画素分のサブ画素の読み出し方法を示す図である。なお、この実施形態では、図１の画素Ｐ１〜Ｐ４が図２（ａ）の構成をとる場合を例にとった。また、この実施形態では、固体撮像装置が車載前方センシングシステムに適用される場合を例にとった。この車載前方センシングシステムでは、４つのフレームＦ１〜Ｆ４を対象物の認識に用いることができる。フレームＦ１は車線逸脱警報（ＬＤＷ）に用いることができる。フレームＦ２は警報標識認識（ＴＳＲ）に用いることができる。フレームＦ３はオートハイビーム（ＡＨＢ）の制御に用いることができる。フレームＦ４は歩行者検知（ＰＤ）に用いることができる。また、図１３（ａ）〜図１３（ｄ）では、画素Ｐ１の読み出し方法を例にとるが、画素Ｐ２〜Ｐ４についても同様に読み出すことができる。
図１３（ａ）〜図１３（ｄ）において、半導体基板２０には、画素Ｐ１のサブ画素Ｓ１〜Ｓ４ごとにフォトダイオードＰＤ１〜ＰＤ４が設けられている。フォトダイオードＰＤ１〜ＰＤ４は画素Ｐ１内に正方配置することができる。また、フォトダイオードＰＤ１〜ＰＤ４に隣接する位置にフローティングディフュージョンＦＤが設けられている。この時、各フォトダイオードＰＤ１〜ＰＤ４からフローティングディフュージョンＦＤまでの距離は等しくすることができる。なお、各フォトダイオードＰＤ１〜ＰＤ４とフローティングディフュージョンＦＤとの間には、図３の読み出しトランジスタＴＥ１〜ＴＥ４があるが、図１３（ａ）〜図１３（ｄ）では省略した。
【００３０】
図１３（ａ）において、フレームＦ１では、３個のサブ画素Ｓ１、Ｓ２、Ｓ４から画素信号が読み出される。この時、読み出しトランジスタＴＥ１、ＴＥ２、ＴＥ４がオンされることでフォトダイオードＰＤ１、ＰＤ２、ＰＤ４からフローティングディフュージョンＦＤに電荷が読み出される。そして、フローティングディフュージョンＦＤに読み出された電荷量に応じて増幅トランジスタＴＡのソース電位が設定され、そのソース電位が画素信号Ｖｓｉｇとして垂直信号線Ｖｌｉｎを介してカラムＡＤＣ回路４に送られることで、画素信号ＶｓｉｇがＡＤ変換される。
【００３１】
次に、図１３（ｂ）において、フレームＦ２では、１個のサブ画素Ｓ３から画素信号が読み出される。この時、読み出しトランジスタＴＥ３がオンされることでフォトダイオードＰＤ３からフローティングディフュージョンＦＤに電荷が読み出される。そして、フローティングディフュージョンＦＤに読み出された電荷量に応じて増幅トランジスタＴＡのソース電位が設定され、そのソース電位が画素信号Ｖｓｉｇとして垂直信号線Ｖｌｉｎを介してカラムＡＤＣ回路４に送られることで、画素信号ＶｓｉｇがＡＤ変換される。
【００３２】
次に、図１３（ｃ）および図１３（ｄ）において、各フレームＦ３、Ｆ４では、４個のサブ画素Ｓ１〜Ｓ４から画素信号が読み出される。この時、読み出しトランジスタＴＥ１〜ＴＥ４がオンされることでフォトダイオードＰＤ１〜ＰＤ４からフローティングディフュージョンＦＤに電荷が読み出される。そして、フローティングディフュージョンＦＤに読み出された電荷量に応じて増幅トランジスタＴＡのソース電位が設定され、そのソース電位が画素信号Ｖｓｉｇとして垂直信号線Ｖｌｉｎを介してカラムＡＤＣ回路４に送られることで、画素信号ＶｓｉｇがＡＤ変換される。
【００３３】
ここで、道路および標識などの照明に発光ダイオードが用いられることがある。発光ダイオードの照明では、発光ダイオードの駆動方法によってはフリッカが発生することがある。このフリッカによる撮像画像のチラつきを防止するために、そのフリッカの周期に応じてサブ画素Ｓ１〜Ｓ４の露光時間を制御することが好ましい。なお、各サブ画素Ｓ１〜Ｓ４の露光時間は、各フォトダイオードＰＤ１〜ＰＤ４に蓄積されている電荷を排出した後、各フォトダイオードＰＤ１〜ＰＤ４に蓄積された電荷を読み出すまでの時間で与えることができる。この時、読み出しトランジスタＴＥ１〜ＴＥ４がオンされるタイミングを個別に制御することで各サブ画素Ｓ１〜Ｓ４の露光時間を独立に制御することができる。
【００３４】
ここで、サブ画素Ｓ３では、発光ダイオードのフリッカの周期に応じて露光時間を設定することができる。この時、サブ画素Ｓ３では、サブ画素Ｓ１、Ｓ４に比べて感度が小さいので、サブ画素Ｓ３の露光時間を長くした場合においても、サブ画素Ｓ３が飽和しにくくすることができる。このため、フレームＦ２では、発光ダイオードのフリッカに起因する撮像画像のチラつきを防止しつつ、ダイナミックレンジの低下を防止することができ、警報標識の視認性を向上させることができる。
一方、サブ画素Ｓ１、Ｓ２、Ｓ４では、撮像環境の明暗に応じて露光時間を設定することができる。この時、明るいシーンでは、サブ画素Ｓ１、Ｓ２、Ｓ４の露光時間は、サブ画素Ｓ３の露光時間よりも短くすることができる。このため、フレームＦ１では、ハイライト部分でも画像が潰れるのを防止することができ、ダイナミクレンジを向上させることができる。また、フレームＦ１では、サブ画素Ｓ１、Ｓ２、Ｓ４から画素信号Ｖｓｉｇを読み出す時に、サブ画素Ｓ３から画素信号Ｖｓｉｇを読み出さないようにすることにより、高速走行時において露光時間の違いに起因する残像などが撮像画像に発生するのを防止することができる。
【００３５】
また、フレームＦ３、Ｆ４では、フレームＦ１に比べて感度を向上させることが可能となるとともに、撮像環境の明暗に応じて露光時間を適正化することができる。この時、フレームＦ３では、照明にヘッドライトを用いることが可能となるとともに、フレームＦ４では、照明に太陽光を用いることが可能となる。このため、多種多様な照明環境下において、感度の低下を抑制しつつ、ダイナミックレンジを向上させることができる。
【００３６】
なお、上述した実施形態では、画素ＰＸを４分割した構成について説明したが、画素ＰＸをＮ（Ｎは２以上の整数）分割した構成であってもよい。また、上述した実施形態では、同じサイズかつ同じ形状のサブ画素に画素ＰＸを４分割した構成について説明したが、異なるサイズまたは異なる形状のサブ画素に画素ＰＸを分割した構成であってもよい。
【００３７】
（第１１施形態）
図１４は、第１１実施形態に係る固体撮像装置が適用されるデジタルカメラの概略構成を示すブロック図である。
図１４において、デジタルカメラ５１は、カメラモジュール５２および後段処理部５３を有する。カメラモジュール５２は、撮像光学系５４および固体撮像装置５５を有する。後段処理部５３は、イメージシグナルプロセッサ（ＩＳＰ）５６、記憶部５７および表示部５８を有する。なお、固体撮像装置５５は、図１の構成を用いることができる。また、ＩＳＰ５６の少なくとも一部の構成は固体撮像装置５５とともに１チップ化するようにしてもよい。
【００３８】
撮像光学系５４は、入射光ＬＩを取り込み、被写体像を結像させる。固体撮像装置５５は、被写体像を撮像する。ＩＳＰ５６は、固体撮像装置５５での撮像により得られた画像信号を信号処理する。記憶部５７は、ＩＳＰ５６での信号処理を経た画像を格納する。記憶部５７は、ユーザの操作等に応じて、表示部５８へ画像信号を出力する。表示部５８は、ＩＳＰ５６あるいは記憶部５７から入力される画像信号に応じて、画像を表示する。表示部５８は、例えば、液晶ディスプレイである。なお、カメラモジュール５２は、デジタルカメラ５１以外にも、例えばカメラ付き携帯端末またはスマートフォン等の電子機器に適用するようにしてもよい。
【００３９】
本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。
【符号の説明】
【００４０】
１  画素アレイ部、２  垂直走査回路、３  負荷回路、４  カラムＡＤＣ回路、５  水平走査回路、６  基準電圧発生回路、７  タイミング制御回路、Ｖｌｉｎ  垂直信号線、Ｈｌｉｎ  水平制御線、ＰＸ、Ｐ１〜Ｐ４  画素、Ｓ１〜Ｓ４  サブ画素、ＨＰ  ベイヤ配列、Ｇｒ、Ｇｂ  緑色画素、Ｒ  赤色画素Ｒ、Ｂ  青色画素
【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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