(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
受光面に入射した光に応じて信号電荷を生成する矩形の受光領域を個別に有し、該受光領域の短辺方向に対しては該受光領域の長辺方向の画素ピッチの１／２ずつオフセットされて２次元に配置された複数の画素と、
前記複数の画素の前記オフセットされた配置の形態に合わせて前記短辺方向にジグザグ状に、かつ、前記受光領域毎に設けられ、前記信号電荷のＣＣＤ転送路への読み出しを制御するパルス信号が供給されるＣＣＤ電極と、
前記ＣＣＤ電極に前記パルス信号を供給することにより前記信号電荷を走査して外部に読み出す走査手段と、
前記複数の画素の前記受光面側に設けられ、該受光面に入射される光を前記短辺方向に画素ピッチ分ぼかす一枚の光学部材とを備え、
前記受光領域は、アスペクト比が「２：１」に近似される矩形であり、
前記複数の画素は、前記受光面の１つの方向に配置される画素群毎に分離され、前記信号電荷を該受光面の１つの方向に順次転送し、
前記走査手段は、前記複数の画素を、前記受光面の１つの方向に直交する方向に配置される画素群毎に駆動し、フレーム転送方式で前記信号電荷を走査する
ことを特徴とする固体撮像装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、受光面に入射した光に応じて信号電荷を生成する受光領域を有する複数の画素が２次元に配置された固体撮像装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、複数の画素が２次元に配置された固体撮像装置は、様々な用途に使用されている。
このような固体撮像装置には、ナイキスト周波数の折り返しによって発生するエイリアシングや複数のカラーフィルタを持つ撮像素子の場合に目立つ偽色を低減するため、所定の空間周波数成分を除去するＯＬＰＦ（Optical Low Pass Filter：光学ローパスフィルタ）を設けたものがある。
【０００３】
さらに、矩形状の画素を有する固体撮像装置として、本発明者が発明した特許文献１が知られている。
【特許文献１】
特開２０００−２３１７１号公報
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、ＯＬＰＦを設けた従来の固体撮像装置では、ＯＬＰＦを設けていない固体撮像装置と比べ、鮮鋭度が著しく低下してしまうという問題が発生していた。
【０００５】
また、電子カメラなど画像処理を伴う装置に使用される固体撮像装置では、複数の画素が２次元状に配置されており、入射光を複数方向に対して均等にぼかすには、複数枚のＯＬＰＦを設ける必要がある。例えば、入射光を縦方向と横方向とに対して均等にぼかして正方形状のアパーチャを実現するには、入射光を縦方向にぼかすＯＬＰＦと、入射光を横方向にぼかすＯＬＰＦとが必要となる。
【０００６】
そのため、従来の固体撮像装置では、複数枚のＯＬＰＦを設けることによって、コストアップが生じたり、光路中の界面が増えてフレアが増加したり、ＯＬＰＦ全体の厚みが増して光学系の収差特性が劣化したり、スペースが増加するなどの問題が発生していた。
【０００７】
そこで、本発明では、偽色の低減と鮮鋭度の低下防止とをバランス良く行うことができ、かつ、入射光をぼかす（多重化も含む）光学部材の数を最小限に抑えることができる固体撮像装置を提供することを目的とする。
【０００８】
また、本発明の別の目的は、上記固体撮像装置（具体的には、画素アスペクト比「２：１」程度の極端な矩形状をなす画素を備えた固体撮像装置）において、各画素の受光特性を高めるための技術を提供することである。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
請求項１に記載の固体撮像装置は、受光面に入射した光に応じて信号電荷を生成する矩形の受光領域を個別に有し、該受光領域の短辺方向に対しては該受光領域の長辺方向の画素ピッチの１／２ずつオフセットされて２次元に配置された複数の画素と、その複数の画素のオフセットされた配置の形態に合わせて前記短辺方向にジグザグ状に、かつ、受光領域毎に設けられ、信号電荷のＣＣＤ転送路への読み出しを制御するパルス信号が供給されるＣＣＤ電極と、ＣＣＤ電極にパルス信号を供給することにより信号電荷を走査して外部に読み出す走査手段と、複数の画素の受光面側に設けられ、該受光面に入射される光を短辺方向に画素ピッチ分ぼかす一枚の光学部材とを備える。これらの受光領域は、アスペクト比が「２：１」に近似される矩形である。また、複数の画素は、受光面の１つの方向に配置される画素群毎に分離され、信号電荷を受光面の１つの方向に順次転送し、走査手段は、複数の画素を受光面の１つの方向に直交する方向に配置される画素群毎に駆動し、フレーム転送方式で信号電荷を走査することを特徴とする。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、図面に基づいて、本発明の実施形態について詳細を説明する。
ただし、以下では、本発明の固体撮像装置の一例として、フレーム転送形のモノクロの固体撮像装置を用いて説明を行う。
【００１３】
《第１の実施形態の説明》
図１は、第１の実施形態に対応する固体撮像装置の概略構成を示す図である。図１において、固体撮像装置１は、開口部がガラス基板１１によって塞がれた筐体１２と、ガラス基板１１に積層されたＯＬＰＦ１３と、受光面がガラス基板１１に対向されるように筐体１２に内設された撮像チップ１４とから構成される。
【００１４】
また、図１において、撮像チップ１４には、複数の画素１４１が２次元に配置されている。各々の画素１４１は、長辺方向と短辺方向との長さの比が「２：１」に近似される矩形であり、短辺方向に対しては、長辺方向の画素ピッチの１／２ずつオフセットされてジグザグに配置され、長辺方向に対しては、ほぼ一直線上に配置されている。
【００１５】
ＯＬＰＦ１３は、画素１４１の短辺方向に対し、入射光を短辺方向の画素ピッチ分ぼかす。
その結果、各々の画素１４１の等価なアパーチャは、図２に示すように、画素１４１の短辺方向に拡大して正方形状となり、短辺方向に隣接する画素１４１間では相互に重なることになる。ただし、図２では、短辺方向を基準とし、奇数番目に配置されている画素１４１のアパーチャを実線で示し、偶数番目に配置されている画素１４１のアパーチャを点線で示している。
【００１６】
また、各々の画素１４１に対するサンプル点は、図３のようになる。
ところで、固体撮像装置１がフレーム転送形の固体撮像装置の場合は、各々の画素１４１の大部分を、受光領域（入射光に応じた信号電荷を生成する領域）が占めることになる。
【００１７】
図４は、第１の実施形態における受光領域の構成を示す図である。
図４において、各々の受光領域１４２（点線で囲んで示した）は、図１に示した画素１４１と同様に、長辺方向と短辺方向との長さの比が「２：１」に近似される矩形（厳密には短辺方向の長さはチャンネルストップ中央から隣のチャンネルストップ中央までの長さ）であり、短辺方向に対しては、長辺方向の画素ピッチの１／２ずつオフセットされてジグザグに配置され、長辺方向に対しては、ほぼ一直線上に配置されている。
【００１８】
また、図４では、受光面の垂直転送方向（受光領域の長辺方向に相当する）に配置された受光領域１４２の列（画素群）毎にチャンネルストップ１４３が設けられ、受光面の水平転送方向（受光領域の短辺方向に相当する）に沿ってジグザグに配置された受光領域１４２（画素群）毎に２相の透明電極１４４が設けられている。このような透明電極１４４には、信号電荷の転送用のパルス信号φ１Ａ，φ２Ａが供給される。
【００１９】
図４のような構成によれば、チャンネルストップ１４３によって複数の受光領域１４２が受光面の垂直転送方向に配列される列毎に分離され、共通の透明電極１４４が設けられた受光領域１４２で生成される信号電荷を受光面の垂直転送方向に同時に転送することができる。したがって、既存のフレーム転送形の固体撮像装置と同様に、不図示の蓄積部および水平読み出し部を介して、フレーム転送方式による信号電荷の走査が可能である。
【００２０】
以上説明したように、第１の実施形態では、受光領域１４２（画素１４１とほぼ一致）の短辺方向に対し、入射光を短辺方向の画素ピッチ分ぼかす単一のＯＬＰＦ１３を備えるだけで、図２に示すような等価なアパーチャが得られる。したがって、鮮鋭度の低下を最小限に抑えつつ、ナイキスト周波数の折り返しによる偽色を低減することができると共に、入射光をぼかす光学部材を複数設けることによって発生していた従来の問題（コストアップ、フレアの増加、光学系の収差特性の劣化、スペースの増加など）を回避することができる。
【００２１】
また、第１の実施形態では、透明電極１４４の形状を図４のようにジグザグにすることによって、図１の画素配置（交互列で１／２オフセット）を実現している。
【００２２】
なお、第１の実施形態では、図４に示すように、各々の受光領域１４２の長辺方向が受光面の垂直転送方向に一致するように、受光領域１４２（第１の実施形態では画素１４１とほぼ一致）を配置した例を示したが、図５のように、長辺方向が受光面の水平転送方向に一致するように、受光領域１４２が配置されても良い。
【００２３】
ただし、受光領域１４２を図５のように配置する場合、フレーム転送方式による信号電荷の走査を実現するためには、チャンネルストップ１４３を、受光面の垂直転送方向（受光領域の短辺方向に相当する）に沿ってジグザグに配置された受光領域１４２の列毎に設け、透明電極１４４を、受光面の水平転送方向（受光領域の長辺方向に相当する）に配置された受光領域１４２（点線で囲んだ領域）毎に共通に設ける必要がある。２相で転送する場合は、各受光領域毎に２相の電極が割り当てられる。
【００２４】
また、受光領域１４２を図５のように配置する場合、画素１４１の短辺方向が受光面の垂直転送方向と一致することになるので、入射光を画素１４１の短辺方向に対してぼかすためには、ＯＬＰＦ１３による入射光のぼかし方向を受光面の垂直転送方向に変更する必要がある。
【００２５】
《第２の実施形態の説明》
図６は、第２の実施形態に対応する固体撮像装置の概略構成を示す図である。
図６において、固体撮像装置２は、図１に示した第１の実施形態に対応する固体撮像装置１と同様に、開口部がガラス基板２１によって塞がれた筐体２２と、ガラス基板２１に積層されたＯＬＰＦ２３と、受光面がガラス基板２１に対向されるように筐体２２に内設された撮像チップ２４とから構成される。
【００２６】
また、図６において、撮像チップ２４には、複数の画素２４１が２次元に配置されている。各々の画素２４１は、長辺方向と短辺方向との長さの比が「２：１」に近似される矩形であり、短辺方向に対しては、長辺方向の画素ピッチの１／２ずつオフセットされてジグザグに配置され、長辺方向に対しては、ほぼ一直線上に配置されている。
【００２７】
ただし、図６では、図１と異なり、各々の画素２４１は、受光面の水平転送方向および垂直転送方向に対して４５度傾いている。
ＯＬＰＦ２３は、画素２４１の短辺方向に対し、入射光を短辺方向の画素ピッチ分ぼかす。
その結果、各々の画素２４１のアパーチャは、図７に示すように、画素２４１の短辺方向に拡大して正方形状となり、短辺方向に隣接する画素２４１間では相互に重なることになる。
【００２８】
また、各々の画素２４１に対するサンプル点は、図８のようになる。
図９は、第２の実施形態における受光領域の構成を示す図である。
図９において、各々の受光領域２４２（点線で囲まれた領域）は、図６に示した画素２４１と同様に、長辺方向と短辺方向との長さの比が「２：１」に近似される矩形であり、短辺方向に対しては、長辺方向の画素ピッチの１／２ずつオフセットされてジグザグに配置され、長辺方向に対しては、ほぼ一直線上に配置されている。
【００２９】
ただし、図９では、受光面の垂直転送方向に沿ってジグザグに配置された受光領域２４２の列（画素群）毎にチャンネルストップ２４３が設けられ、２相駆動の場合は受光面の水平転送方向に沿ってジグザグに配置された受光領域２４２（画素群）毎に２相の透明電極２４４が設けられている。このような透明電極２４４には、信号電荷の転送用のパルス信号φ１Ａ，φ２Ａが供給される。
【００３０】
図９のような構成によれば、チャンネルストップ２４３によって複数の受光領域２４２が受光面の垂直転送方向に沿ってジグザグに配列される列毎に分離され、共通の透明電極２４４が設けられた受光領域２４２（受光面の水平転送方向に沿ってジグザグに配列されている受光領域２４２に相当する）で生成される信号電荷を受光面の垂直転送方向に同時に転送することができる。したがって、既存のフレーム転送形の固体撮像装置と同様に、不図示の蓄積部および水平読み出し部を介して、フレーム転送方式による信号電荷の走査が可能である。
【００３１】
以上説明したように、第２実施形態では、受光領域２４２の短辺方向に対し、入射光を短辺方向の画素ピッチ分ぼかす単一のＯＬＰＦ２３を備えるだけで、図７に示すようなアパーチャが得られる。したがって、第１の実施形態と同様に、鮮鋭度の低下を最小限に抑えつつ、ナイキスト周波数の折り返しによるエイリアシングを低減することができると共に、入射光をぼかす光学部材を複数設けることによって発生していた従来の問題を回避することができる。
【００３２】
また、第２の実施形態では、各々の受光領域２４２の形状や配置が既存のフレーム転送形の固体撮像装置と異なっていても、チャンネルストップ２４３や透明電極２４４の形状を図９のようにジグザグにすることによって、フレーム転送方式による信号電荷の走査を容易に実現することができる。
さらに、第２の実施形態では、各々の画素２４１に対するサンプル点は、図８に示すように、正方格子状のサンプル点となる。
【００３３】
また、上述した各実施形態では、本発明の固体撮像装置の一例としてフレーム転送形の固体撮像装置について説明した。このようなフレーム転送方式の採用により、画素アスペクト比が「２：１」程度の極端な矩形画素でありながらも、その矩形画素の殆どを有効受光領域として使用することが可能になる。その結果、画素アスペクト比の極端な矩形形状の画素を採用しながらも、受光効率に優れた固体撮像装置を実現できる。
【００３４】
なお、本発明は、このようなフレーム転送方式に限定されるものではない。例えば、インタライン転送方式を採用することも可能である。ただし、上記構成をインタライン転送形式で実現する場合、受光領域の画素アスペクト比が極端な値であるため、開口率の低下による感度劣化などの問題が生じやすい。
従来、このインタライン転送方式の受光効率を高める場合、画素単位にマイクロレンズを設けることがよく行われる。しかしながら、本発明の固体撮像装置は、画素アスペクト比が「２：１」と極端であるため、適切なマイクロレンズの設計が非常に難しい。
【００３５】
例えば、辺の長さが「２：１」程度の画素形状に合わせてマイクロレンズを形成する場合、図１０（１）に示すような楕円形のマイクロレンズが考えられる。しかしながら、長方形の受光部の上に楕円形のレンズをマイクロレンズとして用いると、集光特性が長辺方向と短辺方向とで異なってしまい、ぼけが丸くならないなどの問題が生じる。
【００３６】
このような問題を回避するため、図１０（２）に示すように、マイクロレンズを画素（受光領域）の長辺方向に２つ配置することが好ましい。このように矩形状の受光領域に対して複眼式のマイクロレンズを設けることにより、画素アスペクト比の極端な矩形形状の画素でありながらも、各画素の集光特性はほぼ等方的になる。
【００３７】
さらに、複数のマイクロレンズの境界領域に遮光部を設けることにより、いびつな方向からの光を遮ることが可能になり、矩形画素の集光特性の等方性を一段と高めることが可能になる。
【００３８】
さらに、図１０（２）では、複眼式のマイクロレンズの下に共通の蓄積部を設ける。そのため、複眼式のマイクロレンズの入射光によって生成される信号電荷を、矩形画素の単位にまとめて蓄積して加算することができる。その結果、画素加算のためのシーケンス動作を省いて、固体撮像装置の転送シーケンスを単純化することが容易になる。
【００３９】
また、上述した各実施形態に対応する固体撮像装置１，２では、ＯＬＰＦ１３，２３が設けられているが、ＯＬＰＦとしては、例えば、回折格子のように、受光面に入射される光を受光領域の短辺方向にぼかすことができる光学部材であれば、如何なる光学部材を設けても良い。
【００４０】
さらに、上述した各実施形態に対応する固体撮像装置１，２では、ガラス基板１１，２１によって筐体１２，２２の開口部を塞いでいるが、ガラス基板１１，２１を設けずに、ＯＬＰＦ１３，２３によって筐体１２，２２の開口部を塞ぐ構成にしても良い。
【００４１】
また、上述した各実施形態では、カラーフィルタを設けていないモノクロの固体撮像装置について説明したが、本発明は、複数のカラーフィルタを有するカラーの固体撮像装置にも同様に適用することができ、エイリアシングによって発生する偽色を低減することができる。
例えば、第１の実施形態に対応する固体撮像装置１において、Ｒ,Ｇ,Ｂの３色のカラーフィルタを、図１１（１）のような配列（Ｇのカラーフィルタが配された列とＲ,Ｂのカラーフィルタが交互に配された列とがストライプを成す配列）で各々の画素１４１に対応付けると、アパーチャは、図１１（２）のようになる。
【００４２】
このようなアパーチャは、二板式の固体撮像装置（Ｇのカラーフィルタのみが設けられた撮像素子と、Ｒ,Ｂのカラーフィルタが市松模様状に設けられた撮像素子とを有する固体撮像装置）において、２枚の撮像素子を１／２画素ピッチずらした場合のアパーチャと等価であり、カラーの固体撮像装置に有効である。
【００４３】
なお、各々の画素に設けるカラーフィルタは、Ｒ,Ｇ,Ｂの３色に限らず、Ｙｅ,Ｍｇ,Ｃｙ,Ｇの４色など如何なる色種であっても良く、カラーフィルタの配列は、図１１（１）のような配列に限られるものではない。
【００４４】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の固体撮像装置によれば、入射光をぼかす（多重化する場合も含む）光学部材の数を１つにしても、ナイキスト周波数の折り返しによって発生するエイリアシングによる欠陥を適当に抑圧し、かつ、鮮鋭度の低下を最小限に抑えることができる。カラー撮像素子の場合では、偽色の低減と鮮鋭度の低下防止とをバランス良く行うことができる。また、入射光をぼかす光学部材を複数設けることによって発生していた従来の問題（コストアップ、フレアの増加、光学系の収差特性の劣化、スペースの増加など）を回避することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１の実施形態に対応する固体撮像装置の概略構成を示す図である。
【図２】第１の実施形態におけるアパーチャの状態を示す図である。
【図３】第１の実施形態におけるサンプル点を示す図である。
【図４】第１の実施形態における受光領域の構成を示す図である。
【図５】第１の実施形態における受光領域の他の構成を示す図である。
【図６】第２の実施形態に対応する固体撮像装置の概略構成を示す図である。
【図７】第２の実施形態におけるアパーチャを示す図である。
【図８】第２の実施形態におけるサンプル点を示す図である。
【図９】第２の実施形態における受光領域の構成を示す図である。
【図１０】マイクロレンズを設けた場合の画素の構成例を示す図である。
【図１１】カラーフィルタを設けた場合のアパーチャの状態を示す図である。
【符号の説明】
１、２  固体撮像装置
１１、２１  ガラス基板
１２、２２  筐体
１３、２３  ＯＬＰＦ
１４、２４  撮像チップ
１４１、２４１  画素
１４２、２４２  受光領域
１４３、２４３  チャンネルストップ
１４４、２４４  透明電極
【図１】
0004356311.tif 000002
【図２】
0004356311.tif 000003
【図３】
0004356311.tif 000004
【図４】
0004356311.tif 000005
【図５】
0004356311.tif 000006
【図６】
0004356311.tif 000007
【図７】
0004356311.tif 000008
【図８】
0004356311.tif 000009
【図９】
0004356311.tif 000010
【図１０】
0004356311.tif 000011
【図１１】
0004356311.tif 000012