JP2005175893A - ２板式カラー固体撮像装置及びデジタルカメラ - Google Patents

Abstract

【課題】 色再現性が優れる小型で低コストのデジタルカメラを構成する。
【解決手段】 被写体からの入射光を青色及び赤色を含む光と緑色の光とに分離する色分解プリズム３５と、プリズム３５によって分離された青色及び赤色の入射光を受光する固体撮像素子３６と、プリズム３５によって分離された緑色の入射光を受光する固体撮像素子３７とを備える２板式カラー固体撮像装置において、固体撮像素子３６にアレイ状に設けられた複数の受光部の各々に青色または赤色を透過するカラーフィルタを形成し、固体撮像素子３７にアレイ状に設けられた複数の受光部の各々に、緑色Ｇ１を透過するカラーフィルタまたはこの緑色Ｇ１と波長域がずれた緑色Ｇ２を透過するカラーフィルタを形成する。
【選択図】 図２

Description

本発明は２板式カラー固体撮像装置及びデジタルカメラに係り、特に、色再現性に優れた小型で低コストの２板式カラー固体撮像装置及びデジタルカメラに関する。

固体撮像素子を用いたカラー固体撮像装置として、従来から、３板式のものと、２板式のものと、単板式のものが知られている。

３板式のカラー固体撮像装置は、例えば下記特許文献１に記載されている様に、半導体基板表面に多数の光電変換素子がアレイ状に形成された固体撮像素子を３個用い、被写体の光学像のうち赤色の光学像を第１の固体撮像素子で受光し、緑色の光学像を第２の固体撮像素子で受光し、青色の光学像を第３の固体撮像素子で受光する構成になっている。そのため、被写体からの入射光を赤色（Ｒ），緑色（Ｇ），青色（Ｂ）の各色の光学像に分離する色分解プリズムが用いられる。

図２１は、色分解プリズムの一例を示す構成図である。図示する色分解プリズム１は、第１プリズム部材１ａ，第２プリズム部材１ｂ，第３プリズム部材１ｃと、部材１ａ，１ｂ間に設けられた青色反射用ダイクロイック膜２と、部材１ｂ，１ｃ間に設けられた赤色反射用ダイクロイック膜３とからなる。

そして、第１プリズム部材１ａに入射したＲ，Ｇ，Ｂの各色の光学像のうち青色（Ｂ）の光学像がダイクロイック膜２で反射して第３の固体撮像素子４で受光され、ダイクロイック膜２を透過した赤色（Ｒ），緑色（Ｇ）の各色光学像のうち赤色（Ｒ）の光学像がダイクロイック膜３で反射して第１の固体撮像素子５で受光され、ダイクロイック膜３を透過して第３プリズム部材１ｃ中を直進した緑色（Ｇ）の光学像が第２の固体撮像素子４で受光される。

この３板式の固体撮像装置は、色分解性能が高く入射光を無駄にしないため、撮像画像の色再現性が優れ、感度が高いという利点を有する。しかし、３個の固体撮像素子４，５，６と複雑な色分解プリズム１が必要であり、しかも、プリズム１の前段に配置される図示しない集光レンズで結像したＲ，Ｇ，Ｂの各色光線の各固体撮像素子４，５，６に達する光路長を等しくする必要のため第３プリズム部材１ｃを省略できず、コストが嵩むと共に装置が大型化してしまうという問題がある。

２板式のカラー固体撮像装置は、例えば下記特許文献２，３に記載されているように、２つの固体撮像素子と、図２１に示すプリズム１よりは簡単な構造の色分解プリズムを用いて構成される。図２２は２板式カラー固体撮像装置に用いられるプリズムの一例を示す構成図である。この色分解プリズム７は、第１プリズム部材７ａ，第２プリズム部材７ｂと、両者間に設けられた緑色（Ｇ）反射用ダイクロイック膜８とからなり、第１プリズム部材７ａに入射したＲ，Ｇ，Ｂの各色光学像のうち緑色（Ｇ）の光学像がダイクロイック膜８で反射して第１の固体撮像素子９で受光され、ダイクロイック膜８を透過した赤色（Ｒ），青色（Ｂ）の各光学像が、第２の固体撮像素子１０で受光される。

第２の固体撮像素子１０は、赤色（Ｒ）の光学像と青色（Ｂ）の光学像とを別々に受光するために、素子１０の前面にカラーフィルタ１１が設けられる。このカラーフィル１１には、赤色（Ｒ）カラーフィルタと青色（Ｂ）カラーフィルタが交互にストライプ状に設けられ、赤色カラーフィルタの背面側に配置された光電変換素子が赤色の受光量を検出し、青色カラーフィルタの背面側に配置された光電変換素子が青色の受光量を検出する様になっている。

この２板式のカラー固体撮像装置は、３板式のカラー固体撮像装置に比べて固体撮像素子数が２個で済み、プリズム７を安価に構成できるため、コスト低減を図ることが可能となる。しかし、赤色（Ｒ）と青色（Ｂ）の各色入射光線は直進して固体撮像素子１０に受光される構成のため、装置の小型化のためには第２プリズム部材７ｂの厚さを更に低減する必要がある。

単板式のカラー固体撮像装置は、色分解プリズムを用いずにＲ，Ｇ，Ｂの各色光学像を１個の固体撮像素子で受光する構成となっている。このため、固体撮像素子の前面に、赤色（Ｒ）カラーフィルタと緑色（Ｇ）カラーフィルタと青色（Ｂ）カラーフィルタが所定規則に従ってモザイク状に配列されたカラーフィルタ１１を形成し、半導体基板表面に形成された多数の光電変換素子の各々が、Ｒ，Ｇ，Ｂのうちの一色の光学像を受光する構成になっている。このカラーフィルタの一例を図２３に示す。このカラーフィルタの配列はベイヤー配列といわれ、下記特許文献４に記載されている。

単板式のカラー固体撮像装置は、固体撮像素子が１個で済み、色分解プリズムが不要なため、コストが安く、装置が小型にできるという利点がある。しかし、赤色（Ｒ）カラーフィルタに入射した緑色（Ｇ）と青色（Ｂ）の光は光電変換されることはなく、緑色（Ｇ）カラーフィルタに入射した赤色（Ｒ）と青色（Ｂ）の光も光電変換されることがなく、同様に、青色（Ｂ）カラーフィルタに入射した赤色（Ｒ）と緑色（Ｇ）の光も光電変換されることがない。従って、入射光のうちの略１／３しか光電変換されず、感度が悪いという問題がある。

上述したように、３板式，２板式，単板式のカラー固体撮像装置には、夫々利点と欠点が存在するため、デジタルカメラに搭載するカラー固体撮像装置をいずれの方式のものにするかは、製造コストと性能及びデジタルカメラの大きさによって決めることになる。デジタルスチルカメラの様な小型のデジタルカメラでは、固体撮像装置部分を小型にできる単板式のものが多く採用される。

しかし、近年の様に画素の微細化が進展した単板式のカラー固体撮像素子は、微細化の製造技術が限界にまで達してきているため、製造歩留まりが低下し、カラー固体撮像素子の製造コストが嵩んでしまうという問題が発生している。それは、次の理由による。

単板式カラー固体撮像素子の半導体基板表面に形成された受光部の上部には、カラーフィルタや平坦化膜、マイクロレンズ等を積層する必要があり、受光部とマイクロレンズ（トップレンズ）との間の距離（各画素の高さ）を短くすることはできない。その一方で、多画素化が進展した固体撮像素子では、各画素の開口部の寸法が入射光の波長オーダにまで小さくなってきており、このため、各画素におけるトップレンズから光電変換素子までの入射光路は細長い通路となっている。しかも、固体撮像素子の中央部に対して周辺部における入射光の入射角は斜めになるため、周辺部における光量不足すなわち色シェーディングを回避するために、周辺部の画素においては、入射角に合わせて各入射光路が斜めとなるように、カラーフィルタ，平坦化膜，マイクロレンズ等を積層しなくてはならない。

更に、画素の微細化のため、カラーフィルタの精密な積層も困難になってきている。デジタルカメラのユーザは、忠実な色再現性を望むようになってきているため、例えば下記特許文献５，６に記載されている様に、人間の視細胞が負の感度として感じる波長４６０〜５３０ｎｍ付近の光の受光量を検出するために、赤色（Ｒ），緑色（Ｇ），青色（Ｂ）の３色のカラーフィルタの他に、負の感度となる波長領域の受光量を検出する第４のカラーフィルタも積層しなければならない。すなわち、単板式固体撮像素子においてこの様な４色のカラーフィルタを素子上に配列すると各画素で有効に光電変換されない入射光成分が更に増加するために、色再現性は向上しても感度と解像度を犠牲にするという問題が生じる。しかも、カラーフィルタ層に使用する顔料粒形の大きさが、微細化の進んだ画素では相対的に大きくなり、顔料粒形の影が各画素の受光量に影響を与えてしまうという問題がある。一方、染料系カラーフィルタを使用する場合は、十分な分光透過率を確保しようとすると、カラーフィルタの膜厚を顔料系カラーフィルタに比べ厚くする必要があり、画素の微細化を困難にしているという問題がある。以上の理由により、単板式のカラー固体撮像素子の製造歩留まりは低くなり、デジタルカメラの製造コストを押し上げる一因になってきている。

特開平５―２４４６１３号公報 特開平５―２４４６１０号公報 特開平３―２７４５２３号公報 米国特許第３９７１０６５号公報 特開昭４９―１３１０２５号公報 特許第２８７２７５９号公報

小型のデジタルカメラに搭載するカラー固体撮像素子は、これを単板式で実現するには技術的，コスト的に限界にきている。しかし、カラー固体撮像装置を３板式で実現すると、高価で複雑な色分解プリズムが必要なため、装置が大型化し製造コストも嵩んでしまうという問題がある。

そこで、２板式のカラー固体撮像装置により、忠実な色再現が可能でしかも小型，低コストのデジタルカメラを構成するのが一番現実的となるが、２つの固体撮像素子に積層するカラーフィルタと色分解プリズムとの組み合わせを最適なものにする必要がある。

本発明の目的は、忠実な色再現が可能で小型，低コストの２板式カラー固体撮像装置とこれを搭載したデジタルカメラを提供することにある。

本発明の２板式カラー固体撮像装置は、被写体からの入射光を第１色及第２色を含む光と第３色及び第４色を含む光とに分離する色分解プリズムと、該色分解プリズムによって分離された前記第１色及び第２色の入射光を受光する第１固体撮像素子と、前記色分解プリズムによって分離された前記第３色及び第４色の入射光を受光する第２固体撮像素子とを備える２板式カラー固体撮像装置において、前記第１固体撮像素子にアレイ状に設けられた複数の受光部の各々には前記第１色または前記第２色を透過するカラーフィルタが形成され、前記第２固体撮像素子にアレイ状に設けられた複数の受光部の各々には前記第３色または前記第４色を透過するカラーフィルタが形成されていることを特徴とする。

この構成により、同一解像度の単板式固体撮像素子に比較して１画素（受光部）の大きさを大きくできるため、また、夫々の固体撮像素子のカラーフィルタも２色で済むため、固体撮像素子の製造歩留まりを高くでき、低コスト化を図ることができる。また、第１色〜第４色の４色によって画像再生を行うため、忠実な色再現が可能となる。更に、３板式で用いる色分解プリズムより小型の色分解プリズムを使用するため、装置の大型化を回避することができる。

本発明の２板式カラー固体撮像装置は、前記第１固体撮像素子の各受光部に前記第１色を透過するカラーフィルタと前記第２色を透過するカラーフィルタとが上下左右に交互に配置され、および／または、前記第２固体撮像素子の各受光部に前記第３色を透過するカラーフィルタと前記第４色を透過するカラーフィルタとが上下左右に交互に配置されることを特徴とする。

カラーフィルタをどの様に配置するかは任意であるが、上記配置とすることで、色再現性が更に向上する。

本発明の２板式カラー固体撮像装置は、前記第１固体撮像素子で受光する前記第１色及び第２色の光が夫々３原色のうちの青色及び赤色の光であり、前記第２固体撮像素子で受光する前記第３色及び第４色の光が前記青色と前記赤色の中間波長域の光であることを特徴とする。

赤色（Ｒ）成分を透過するカラーフィルタであれば原色系カラーフィルタＲであっても補色系カラーフィルタＹｅ（イエロー）でもよく、また、青色（Ｂ）成分を透過するカラーフィルタであれば原色系カラーフィルタＢであっても補色系カラーフィルタＣｙ（シアン）でもよい。

本発明の２板式カラー固体撮像装置は、前記第２固体撮像素子から出力される前記第３色の検出信号と前記第４色の検出信号との差から波長４６０ｎｍ〜５３０ｎｍの入射光量を検出するように前記第３色，第４色のカラーフィルタが形成されていることを特徴とし、また、前記第２固体撮像素子に形成される前記第３色のカラーフィルタが波長４６０ｎｍ〜５３０ｎｍの光を透過するように形成されていることを特徴とする。

この構成により、人間の視細胞の赤に対する負感度部分を容易に検出可能となる。

本発明の２板式カラー固体撮像装置は、前記第２固体撮像素子に形成される前記第３色のカラーフィルタと前記第４色のカラーフィルタが前記緑色の波長域を２分割するように形成されていることを特徴とする。

この構成により、画像の緑色の再現を忠実に行うことが可能となる。

本発明の２板式カラー固体撮像装置は、前記第１固体撮像素子の各受光部に対して、前記第２固体撮像素子の各受光部が１／２ピッチづつずれるように配置されることを特徴とする。

この様に、２つの固体撮像素子を画素ズラシ配置することで、画像の解像度を高めることが可能となる。

本発明の２板式カラー固体撮像装置は、前記第１固体撮像素子の各受光部が、前記第２固体撮像素子の各受光部と同一サンプリングポイントに配置されることを特徴とする。

この構成により、偽色や色モアレを低減することができる。

本発明の２板式カラー固体撮像装置は、前記第１固体撮像素子及び前記第２固体撮像素子が夫々ＣＣＤで構成されることを特徴とし、また、前記第１固体撮像素子及び前記第２固体撮像素子が夫々ＭＯＳ型イメージセンサで構成されることを特徴とする。更に、前記第１固体撮像素子及び前記第２固体撮像素子の各受光部の配列がハニカム配列であることを特徴とする。

本発明の２板式カラー固体撮像装置は、ＣＣＤでもＭＯＳ型でも実現可能であり、また、各画素（受光部）が正方格子配列でもハニカム画素配列でも実現できる。

本発明の２板式カラー固体撮像装置で用いる色分解プリズムは、被写体からの入射光を第１色及第２色を含む光と第３色及び第４色を含む光とに分離し、分離された前記第１色及び第２色の入射光を第１固体撮像素子に入射させ、分離された前記第３色及び第４色の入射光を第２固体撮像素子に入射させる２板式カラー固体撮像装置の色分解プリズムにおいて、前記第１色及び第２色の入射光を反射して前記第１固体撮像素子に入射させるプリズム部材と、前記第３色及び第４色の入射光を反射して前記第２固体撮像素子に入射させるプリズム部材とを備えることを特徴とする。

この構成により、色分解プリズムからなる（分光）光学系の厚さを小さくできる。

本発明の２板式式カラー固体撮像装置は、上記の色分解プリズムを用いることを特徴とする。

この構成により、装置の更なる小型化を実現できる。

本発明のデジタルカメラは、上記のいずれかに記載の２板式カラー固体撮像装置を搭載することを特徴とする。

この構成により、忠実な色再現が可能で、小型，低コストのデジタルカメラを提供できる。

本発明のデジタルカメラは、２板式カラー固体撮像装置と、該２板式カラー固体撮像装置が検出した波長４６０ｎｍ〜５３０ｎｍの検出信号により前記第１固体撮像素子が検出した赤色の感度補正を行う信号処理手段とを備えることを特徴とする。

この構成により、人間の視感度に忠実な画像を再生できるデジタルカメラを提供可能となる。

本発明によれば、忠実な色再現が可能で、しかも、低コスト，小型のデジタルカメラを構成することができる。

以下、本発明の一実施形態について、図面を参照して説明する。

〔第１の実施形態〕
図１は、本発明の一実施形態に係るデジタルカメラ（この例ではデジタルスチルカメラ）のブロック構成図である。このデジタルカメラは、被写体からの入射光を集光するレンズや絞りを搭載した光学系２１と、本実施形態に係る２板式ＣＣＤモジュール２２と、光学系２１とモジュール２２との間に配置された赤外線カットフィルタ２３とを備える。

本実施形態のデジタルカメラはまた、２板式ＣＣＤモジュール２２から出力される赤色（Ｒ）信号，青色（Ｂ）信号及び後述の緑色（Ｇ１，Ｇ２）信号を取り込み相関二重サンプリング処理等を行うＣＤＳ回路２４と、ＣＤＳ回路２４の出力信号を取り込んで利得制御処理等を行うプリプロセス回路２５と、プリプロセス回路２５から出力されるＲ，Ｇ１，Ｇ２，Ｂのアナログ信号をデジタル信号に変換するＡ／Ｄ変換回路２６と、Ａ／Ｄ変換回路２６から出力されるＲ，Ｇ１，Ｇ２，Ｂの画像信号を取り込んでホワイトバランス補正やガンマ補正処理，色感度補正処理等の信号処理を行ったり撮像画像の信号圧縮や伸張処理を行う回路２７と、回路２７に接続された画像メモリ２８と、回路２７が処理した撮像画像データを図示しない外部メモリに記録したりカメラ背面等に設けられた液晶表示部に表示したりする記録／表示回路２９とを備える。

このデジタルカメラは更に、デジタルカメラ全体を統括制御するシステム制御回路３０と、システム制御回路３０からの指示信号により同期信号を発生する同期信号回路３１と、同期信号に基づいてＣＣＤモジュール２２内の各ＣＣＤに駆動信号を出力するＣＣＤ駆動回路３２とを備える。

本実施形態のデジタルカメラでは、システム制御回路３０からの指示信号に基づいて光学系２１のレンズ焦点や絞りが制御され、光学系２１及び赤外線カットフィルタ２３を通してモジュール２２内の２つのＣＣＤに被写体の光学像が結像する。そして、受光した光学像に応じて各ＣＣＤから赤色（Ｒ）信号，青色（Ｂ）信号，緑色（Ｇ１，Ｇ２）信号が出力され、プリプロセス回路２５が同期信号に応じてＲ，Ｂ，Ｇ１，Ｇ２信号の利得制御等を行い、システム制御回路３０からの指示に基づいて回路２７が信号処理等を行うことで、ＣＣＤモジュール２２から出力されたＲ，Ｂ，Ｇ１，Ｇ２信号に基づいて撮像画像が再生され、ＪＰＥＧ形式等のデータに圧縮された画像データが外部メモリに記録される。

図２は、図１に示す２板式ＣＣＤモジュール２２の構成図である。この２板式ＣＣＤモジュールは、色分解プリズム３５と、第１のＣＣＤ３６及び第２のＣＣＤ３７の２枚のＣＣＤを備える。色分解プリズム３５は、第１プリズム部材３５ａと、第２プリズム部材３５ｂと、両者間に形成された緑色（Ｇ＝Ｇ１＋Ｇ２）反射用ダイクロイック膜３８と、第２プリズム部材３５ｂの端面に形成された全反射用のダイクロイック膜３９とを備える。尚、膜３９はダイクロイック膜である必要はなく、入射光を全反射するものであればよい。

第１プリズム部材３５ａは、図２に示す様に、断面が三角形状となっており、入射光がほぼ垂直に入射する光入射面３５ｃと、光入射面３５ｃに対して斜めに配置されダイクロイック膜３８が蒸着形成された界面と、ＣＣＤ３７が対面する第３面とを備える。

第２プリズム部材３５ｂも、断面が三角形状となっており、第１プリズム部材３５ａ（ダイクロイック膜３８）と接する界面と、この界面に対して斜めに配置され全反射膜３９が蒸着形成された反射面と、ＣＣＤ３６が対面する第３面とを備える。

被写体からの入射光は、先ず第１プリズム部材３５ａの光入射面３５ａに垂直に入射し、そのうちの緑色（Ｇ＝Ｇ１＋Ｇ２）の入射光がダイクロイック膜３８で反射し、次に光入射面３５ａで全反射して、第２のＣＣＤ３７に結像する。第１プリズム部材３５ａからダイクロイック膜３８を透過して第２プリズム部材３５ｂに入射した赤色（Ｒ）と青色（Ｂ）の入射光は、全反射膜３９で反射し、更に、第１プリズム部材３５ａ界面で全反射されて第１のＣＣＤ３６に結像する。

図２に示す実施形態の色分解プリズム３５は、第１プリズム部材３５ａに入射した緑色（Ｇ＝Ｇ１＋Ｇ２）の入射光が２回反射して第２ＣＣＤ３７に結像し、第２プリズム部材３５ｂに赤色（Ｒ）と青色（Ｂ）の入射光が２回反射して第１ＣＣＤ３６に結像する構成としているため、第１ＣＣＤ３６の結像画像に対して第２ＣＣＤ３７の結像画像が鏡映反転した画像になることはない。

また、本実施形態の色分解プリズム３５は、その光入射方向の寸法を、図２２のプリズム部材７ｂを設ける必要がないため短くでき、ＣＣＤモジュールの小型化，軽量化，薄型化を図ることができる。しかし、薄型にする必要のないデジタルカメラに搭載するＣＣＤモジュールであれば、色分解プリズムとして図２２に図示したものを使用することも可能である。

図３は、ＣＣＤ３６の表面模式図である。ＣＣＤ３６は、半導体基板４３の表面部分に、図示の例では、矩形で示す多数の受光部４４（１つ１つの受光部を、以下「画素」ともいう。）が形成されている。各受光部４４は、半導体基板４３の表面に正方格子状となるように配置され、受光部４４の各列の右隣には垂直転送路４５が形成され、半導体基板４３の下辺部分には、各受光部４４から読み出され垂直転送路４５を通して転送されてきた信号電荷を水平方向に転送する水平転送路（ＨＣＣＤ）４６が形成されている。

図３の各受光部４４中の「Ｒ」「Ｂ」は、各受光部上に設けたカラーフィルタの色（赤色が「Ｒ」、青色が「Ｂ」）を示している。即ち、本実施形態に係るＣＣＤ３６には、色分解プリズム３５によって分離された赤色（Ｒ）の光と青色（Ｂ）の光とが入射し、受光部４４のうち、赤色（Ｒ）のカラーフィルタ５７が積層された受光部４４が赤色の入射光量を検出し、青色（Ｂ）のカラーフィルタ５７が積層された受光部４４が青色の入射光量を検出する。

図４は、図３に示す受光部４４を４画素分拡大した図であり、転送電極を示す図である。本実施形態の転送電極４７，４８，４９は３層ポリシリコン構造となっており、全画素読み出し可能なインターラインＣＣＤを構成する。図示する例では、第３ポリシリコン電極４９が赤色（Ｒ）の信号電荷または青色（Ｂ）の信号電荷を読み出す読出ゲート電極を兼用している。垂直方向に連なる各画素Ｒ，Ｂは上面から見て櫛歯状の素子分離帯４２で画成されている。

図５は、図４のV―V線断面図である。ｎ型半導体基板４３には、表面側にＰウェル層５０が形成され、Ｐウェル層５０内の表面部にＮ^＋層５１が形成される。入射光によって発生した信号電荷は、Ｎ^＋層５１に蓄積される。この信号電荷蓄積部を形成するＮ^＋層５１（不純物（リンまたは砒素（Ｐ又はＡｓ））濃度は約５×１０^{１６〜１７}／ｃｍ^３）が読出ゲート電極４９下まで延在することで、入射光の光量に応じて発生した電荷が、ゲート部を通って垂直転送路４５に読み出される。

Ｎ^＋層５１が設けられた半導体基板４３の表面の一部には、浅いＰ^＋層５３が設けられており、更に最表面にはＳｉＯ_２膜５４が設けられている。Ｐ^＋層５３の不純物（ボロン）濃度は約１×１０^１８／ｃｍ^３、深さ約０．１〜０．２μｍ程度であり、受光部の表面における酸化膜―半導体界面の欠陥準位の低減に寄与している。また、ＳｉＯ_２膜５４の上部表面には、受光領域を避けた位置に前述の転送電極４７，４８，４９が形成され、更にその上部に、受光領域に開口部５５ａを持つ遮光膜５５が設けられ、更にその上部に平坦化膜５６ａが形成され、更に、カラーフィルタ５７が設けられ、その上部に平坦化膜５６ｂを介してトップレンズ（マイクロレンズ）５８が形成される。

図６は、ＣＣＤ３７の表面模式図である。ＣＣＤ３７は、ＣＣＤ３６と同一構造であり、各受光部４４上に設けられるカラーフィルタの色が、緑色（Ｇ）である点がＣＣＤ３６と異なる。緑色（Ｇ）のカラーフィルタとしては、Ｇ１，Ｇ２の２種類を用いている。

図７は、カラーフィルタＧ１，Ｇ２の分光特性の違いを示すグラフである。このグラフには、ＣＣＤ３６に用いた赤色（Ｒ）と青色（Ｂ）のカラーフィルタの分光特性も一緒に示している。赤色（Ｒ）のカラーフィルタでは長波長側をカットできないが、この長波長部分は、図１に示す赤外線カットフィルタ２３によりカットされる。尚、図７では、Ｇ１のピーク感度でＲ，Ｂの各分光感度を正規化してある。

Ｇ１の特性とＧ２の特性は、長波長端（特性が立ち下がる部分）で同じであるが、短波長端側では、差（斜線を施した部分）が生じる様にしている。この差（Ｇ１−Ｇ２）を検出することで、波長４６０ｎｍ〜５３０ｎｍ付近の範囲における入射光成分が検出できる。この差（Ｇ１−Ｇ２）は、人間の赤色（Ｒ）を検出する視細胞における負の感度ｒ（図７）に相当し、この負の感度ｒを示す受光量を、ＣＣＤ３６のカラーフィルタＲを持った受光部の受光量から減算することで、人間の視感度に忠実な色再現が可能となる。

尚、本実施形態におけるＧ１，Ｇ２の差は小さいため、図１に示す回路２７は、特に輝度信号を生成するときの画像処理において両方共に緑色（Ｇ）信号として処理して良く、また、Ｇ＝Ｇ１としても、あるいはＧ＝Ｇ２として処理しても良く、更には、Ｇ＝（Ｇ１＋Ｇ２）／２として処理しても良い。

図８は、２板式ＣＣＤモジュール２２におけるＣＣＤの配置図である。正方格子状にＲ画素とＧ画素とが交互に配置されたＣＣＤ３６に対して、正方格子状にＧ１画素とＧ２画素とが交互に配置されたＣＣＤ３７を、図８下段右図に示す様に、画素ピッチが１／２づつ垂直方向，水平方向にずれるように配置したいわゆる画素ズラシ配置とすることにより、更に解像度を高めることが可能となり、ハニカム画素配置用の既存の信号処理ＩＣを使用して画像処理することができる。

しかし、２板式のＣＣＤ３６，３７を画素ズラシ配置にすることは必須ではなく、図８下段左図に示す様に、ＣＣＤ３６の各画素と、ＣＣＤ３７の各画素とが同一サンプリングポイントとなる様に配置することでもよい。この配置にすることで、偽色や色モアレが一層低減される。

〔第１の実施形態の変形例〕
第１の実施形態では、図７で説明したように、Ｇ１，Ｇ２のカラーフィルタの差Ｇ１−Ｇ２が負の視感度ｒとなるように設定している。しかし、Ｇ１，Ｇ２の設定はこれに限るものではない。例えば、負の視感度ｒをＧ１，Ｇ２の差で求めるのではなく、図９に示す様に、負の視感度ｒを直接検出するカラーフィルタｇ（＝Ｇ２）と、従来と同様の緑色を検出するカラーフィルタＧ（＝Ｇ１）を、ＣＣＤ３７の各画素に交互に形成することでも良い。

また、Ｇ１，Ｇ２のカラーフィルタは、例えば、図１０に示す様に、赤色（Ｒ）と青色（Ｂ）の中間の波長域をほぼ２分割するようにＧ１，Ｇ２の特性を設定することでも、忠実な色再現が可能となる。図１０の場合、波長４６０ｎｍ〜６２０ｎｍの光が図２のダイクロイック膜３８で反射してＣＣＤ３７に入射し、そのうち、波長４６０ｎｍ〜５４０ｎｍの光がＧ１フィルタを持つ画素で受光され、波長５４０ｎｍ〜６２０ｎｍの光がＧ２フィルタを持つ画素で受光される。

〔第２の実施形態〕
上述した実施形態では、各画素を正方格子状に配置したＣＣＤを例に説明したが、ＣＣＤの各画素を各行毎に１／２ピッチづつづらした所謂ハニカム画素配置（特開平１０―１３６３９１号公報参照）のＣＣＤでも本発明を実現でき、高解像度化を図ることができる。

図１１は、ハニカム画素配置の第１ＣＣＤ６０の表面模式図であり、図１２は、ハニカム画素配置の第２ＣＣＤ７０の表面模式図である。ＣＣＤ６０に設けられている各画素６１は、断面構造は図５と同様である。画素６１は各行毎に１／２ピッチずれており、水平方向に隣接する画素６１間に、垂直転送路６２が蛇行して配置される。カラーフィルタＧ１，Ｇ２により緑色（Ｇ）の色信号を検出するＣＣＤ７０の各画素７１の断面構造も図５（カラーフィルタの色はＧ１，Ｇ２となる。）と同様であり、水平方向に隣接する画素７１間に、垂直転送路７２が蛇行して配置される。

図１３は、ＣＣＤ７０の４画素分の拡大図であるまた、図１４は、図１３の丸印XIV内の転送電極を示す詳細図である。尚、ＣＣＤ６０も同様の構造となる。菱形に形成された素子分離帯７３により各画素７１が画成され、素子分離帯７３に設けられたゲート部７４から、画素間に設けられた垂直転送路７２に信号電荷が読み出される。垂直転送路７２上には、２層ポリシリコン構造でなる転送電極が重ねて設けられ、１つの画素に対して４本の転送電極８１，８２，８３，８４が対応付けられている。これにより、ハニカム画素配置のＣＣＤは、２層ポリシリコン構造の転送電極で全画素読み出し（プログレッシブ動作）可能なＣＣＤとなっている。

この第２実施形態の様に、同一画素数のハニカム画素配置のＣＣＤ６０，７０を２枚用いることでも、第１実施形態と同様の効果が得られると共に、ハニカム画素配置のＣＣＤを用いることで、第１実施形態と比較して更に一層の多画素化が達成でき、しかも、２層ポリシリコン構造の転送電極でプログレッシブ動作が可能となり、製造コストの低減と製造歩留まりの向上を図ることが可能となる。Ｇ１，Ｇ２のカラーフィルタとしては、図７，図９，図１０で説明したいずれかのＧ１，Ｇ２フィルタが用いられる。

図１５は、本実施形態で用いる２板式ＣＣＤモジュールにおけるＣＣＤの配置図である。ハニカム状にＲ画素とＧ画素とが配置されたＣＣＤ６０に対して、ハニカム状にＧ１画素とＧ２画素とが配置されたＣＣＤ７０を、図１５下段右図に示す様に、画素位置が１／２ピッチだけ水平方向にずれるように配置したいわゆる画素ズラシ配置とする。これにより、更に高解像度の撮像が可能となり、また、Ｒ，Ｇ１，Ｇ２，Ｂの各画素配置は、正方格子状の配列となり、正方格子画素配置の既存の信号処理ＩＣを使用して画像処理を行うことが可能となる。

しかし、本実施形態でも同様に、２つのＣＣＤ６０，７０を必ずしも画素ズラシ配置する必要はなく、図１５下段右図に示す様に、ＣＣＤ６０の各画素と、ＣＣＤ７０の各画素とが同一サンプリングポイントとなる様に配置することでもよい。この配置にすることで、偽色や色モアレが一層低減される。

〔第３実施形態〕
上述した各実施形態では、固体撮像素子としてＣＣＤを用いた例を説明したが、他の固体撮像素子、例えばＣＭＯＳ型イメージセンサを用いても本発明を実現できる。

図１６は、第１ＣＭＯＳ型イメージセンサの表面模式図である。この第１ＣＭＯＳ型イメージセンサ９０は、ｎ型半導体基板９１の表面部に形成され、受光領域の脇に形成された垂直走査回路９２と、半導体基板９１の底辺側に形成された水平走査回路等（信号増幅回路，Ａ／Ｄ変換回路，同期信号発生回路等）９３とを備える。

受光領域には、多数の受光部９４が二次元アレイ状に、この例では正方格子状に配列形成されている。図１７は、図１６のXVII―XVII線断面模式図である。この第１ＣＭＯＳ型イメージセンサ９０の各画素も、前述の実施形態と同様に、赤色（Ｒ）または青色（Ｂ）のカラーフィルタ９７（図１７）を搭載している。

第１ＣＭＯＳ型イメージセンサ９０の各受光部９４では、図１６に示す様に、ｎ型半導体基板９１の表面側にＰウェル層９５が形成され、Ｐウェル層９５内の表面部にＮ^＋層９９が形成される。Ｎ^＋層９９は、この例では、不純物（リンまたは砒素（Ｐ又はＡｓ））濃度を、約５×１０^{１６〜１７}／ｃｍ^３としている。

Ｎ^＋層９９はオーミックコンタクト１０５により色信号検出用アンプ１０６に接続される。このオーミックコンタクト１０５を良好に行うために、Ｎ^＋層９９のうちこのコンタクト部分の不純物濃度を、この例では１×１０^１９／ｃｍ^３以上としている。アンプ１０６の等価回路を図１８に示す。

斯かる受光部の断面構造により、カラー画像撮像前にリセットトランジスタがＯＮされてＮ^＋層９９の夫々のＰＮ接合部に所定量の電荷が蓄積される。そして、Ｎ^＋層９９のＰＮ接合部における蓄積電荷は、受光部に達した入射光の光量に応じて発生したフォトキャリア分だけ放電し、Ｎ^＋層９９のＰＮ接合部における電荷変化量が、色信号としてアンプ１０６よって読み出される。

図１９は、第２ＣＭＯＳ型イメージセンサの表面模式図である。第２ＣＭＯＳ型イメージセンサ９８は、図１６，１７に示す受光部と同一構造をとり、各受光部上に形成したカラーフィルタの色のみが異なる。即ち、第２ＣＭＯＳ型イメージセンサ９８では、各受光部上に形成されるカラーフィルタ９７（図１７）として、図７，図９，図１０で説明したいずれかのＧ１フィルタとＧ２フィルタとが交互に配置される。

尚、図１７では図示を省略したが、第１，第２ＣＭＯＳ型イメージセンサ９０，９８には、遮光膜や平坦化層，配線層，マイクロレンズなどが半導体基板表面に積層される。

図２０は、第１，第２ＣＭＯＳ型イメージセンサ９０，９８の１画素分に対応する二次元平面図である。半導体基板９１の表面は、縦横に延びるＬＯＣＯＳによる素子分離帯１１０によって碁盤の目の様に各受光部９４が素子分離されており、図示する例では、各受光部９４はほぼ正方形をなしている。

各受光部面積のうち、大部分に上述したＮ^＋層９９が形成され、右上端に短冊状の周辺回路部１１１が設けられる。この周辺回路部１１１に、上述したアンプ（ソースフォロアアンプ）１０６が設けられ、受光部に設けたコンタクトホール１０５を介して接続されたＮ^＋層９９から色信号が読み出される。

図面上、縦方向に設けられた素子分離帯１１０の上に、信号出力線１１２とリセット線１１４が敷設され、横方向に設けられた素子分離帯１１０の上に、選択信号線１１５と電源線１１３が設けられる。信号出力線１１２はアンプ１０６の出力に接続され、図２０では周辺回路への接続線が省略されているが電源線１１３に電源電圧が印加され、リセット線１１４にはリセット信号が印加される。

これらの選択信号やリセット信号は、図１６，図１９に示す垂直走査回路９２や水平走査回路等９３等によって制御される。尚、受光部上に記載した点線矩形枠１０７は、遮光膜の開口部位置を示しており、この内側のみに光が通過し、その外側すなわち周辺回路部１１１やコンタクトホール１０５は遮光されている。この図に示されるように、一の受光部に設ける必要のある信号配線数や周辺回路数は少なくて済むため、本実施形態のＣＭＯＳ型イメージセンサは、受光部面積を広くすることができ、明るい画像が撮像可能である。

この様に、本実施形態の第１ＣＭＯＳ型イメージセンサ９０と第２ＣＭＯＳ型イメージセンサを用いて２板式カラー固体撮像装置を構成しても、第１，第２の実施形態と同様の効果を得ることができる。

尚、上述した第３の実施形態は、各受光部を正方格子状に配列した例であるが、例えば、米国特許第４５５８３６５号公報に記載されている様に各行の受光部を１／２ピッチづつづらした所謂ハニカム画素配置のＮＭＯＳ型イメージセンサでもよいことはいうまでもない。また、ＣＭＯＳ型，ＮＭＯＳ型に限らず、他の形式のＭＯＳ型イメージセンサでもよい。

以上述べた各実施形態の２板式カラー固体撮像装置及びこれを搭載したデジタルカメラによれば、フルカラー撮像が可能であり、また、同一解像度の単板式の固体撮像素子を用いる場合に比較して１画素の大きさを大きくすることができるため、固体撮像素子の製造歩留まりを上げることができ、２板式であっても低コスト化を図ることが可能となる。

本発明に係る２板式カラー固体撮像装置は、小型化，低コスト化を図ることが可能となり、デジタルスチルカメラやデジタルビデオカメラ等のデジタルカメラに搭載するのに有用である。

本発明の一実施形態に係るデジタルスチルカメラのブロック構成図である。 図１に示す第１実施形態に係る２板式ＣＣＤモジュールの構成図である。 図２に示す第１ＣＣＤの表面模式図である。 図３に示す第１ＣＣＤの４画素分の拡大図である。 図５のV―V線断面図である。 図２に示す第２ＣＣＤの表面模式図である。 第１ＣＣＤ，第２ＣＣＤに用いるカラーフィルタＲ，Ｇ１，Ｇ２，Ｂの分光特性を示すグラフである。 図２に示す第１ＣＣＤと第２ＣＣＤの配置説明図である。 第２ＣＣＤに用いるカラーフィルタＧ１，Ｇ２の分光特性の変形例を示すグラフである。 第２ＣＣＤに用いるカラーフィルタＧ１，Ｇ２の分光特性の更に別の変形例を示すグラフである。 本発明の第２実施形態に係る第１ＣＣＤの表面模式図である。 本発明の第２実施形態に係る第２ＣＣＤの表面模式図である。 図１１に示す第１ＣＣＤの４画素分の拡大図である。 図１３の円XIV内の拡大図である。 図１１に示す第１ＣＣＤと図１２に示す第２ＣＣＤの配置説明図である。 本発明の第３実施形態に係る第１ＣＭＯＳ型イメージセンサの表面模式図である。 図１６のXVII―XVII線断面模式図である。 図１７に示すアンプの等価回路図である。 本発明の第３実施形態に係る第２ＣＭＯＳ型イメージセンサの表面模式図である。 図１６，図１９に示す１画素分の平面模式図である。 従来の３板式カラー固体撮像装置の構成図である。 従来の２板式カラー固体撮像装置の構成図である。 従来の単板式カラー固体撮像装置に用いるカラーフィルタの平面図である。

符号の説明

２２ ２板式ＣＣＤモジュール
３５ 色分解プリズム
３６，６０ 第１ＣＣＤ
３７，７０ 第２ＣＣＤ
３８ 緑色反射用ダイクロイック膜
３９ 全反射用ダイクロイック膜
４４，６１，７１ 受光部
４５，６２，７２ 垂直転送路
５１，９９ Ｎ^＋層
９０ 第１ＣＭＯＳ型イメージセンサ
９８ 第２ＣＭＯＳ型イメージセンサ

Claims (16)

1. 被写体からの入射光を第１色及び第２色を含む光と第３色及び第４色を含む光とに分離する色分解プリズムと、該色分解プリズムによって分離された前記第１色及び第２色の入射光を受光する第１固体撮像素子と、前記色分解プリズムによって分離された前記第３色及び第４色の入射光を受光する第２固体撮像素子とを備える２板式カラー固体撮像装置において、前記第１固体撮像素子にアレイ状に設けられた複数の受光部の各々には前記第１色または前記第２色を透過するカラーフィルタが形成され、前記第２固体撮像素子にアレイ状に設けられた複数の受光部の各々には前記第３色または前記第４色を透過するカラーフィルタが形成されていることを特徴とする２板式カラー固体撮像装置。
2. 前記第１固体撮像素子の各受光部には前記第１色を透過するカラーフィルタと前記第２色を透過するカラーフィルタとが上下左右に交互に配置されることを特徴とする請求項１に記載の２板式カラー固体撮像装置。
3. 前記第２固体撮像素子の各受光部には前記第３色を透過するカラーフィルタと前記第４色を透過するカラーフィルタとが上下左右に交互に配置されることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の２板式カラー固体撮像装置。
4. 前記第１固体撮像素子で受光する前記第１色及び第２色の光が夫々３原色のうちの青色及び赤色の光であり、前記第２固体撮像素子で受光する前記第３色及び第４色の光が前記青色と前記赤色の中間波長域の光であることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の２板式カラー固体撮像装置。
5. 前記第２固体撮像素子から出力される前記第３色の検出信号と前記第４色の検出信号との差から波長４６０ｎｍ〜５３０ｎｍの入射光量を検出するように前記第３色，第４色のカラーフィルタが形成されていることを特徴とする請求項４に記載の２板式カラー固体撮像装置。
6. 前記第２固体撮像素子に形成される前記第３色のカラーフィルタが波長４６０ｎｍ〜５３０ｎｍの光を透過するように形成されていることを特徴とする請求項４に記載の２板式カラー固体撮像装置。
7. 前記第２固体撮像素子に形成される前記第３色のカラーフィルタと前記第４色のカラーフィルタが前記緑色の波長域を２分割するように形成されていることを特徴とする請求項４に記載の２板式カラー固体撮像装置。
8. 前記第１固体撮像素子の各受光部に対して、前記第２固体撮像素子の各受光部が１／２ピッチづつずれるように配置されることを特徴とする請求項１乃至請求項７のいずれかに記載の２板式カラー固体撮像装置。
9. 前記第１固体撮像素子の各受光部が、前記第２固体撮像素子の各受光部と同一サンプリングポイントに配置されることを特徴とする請求項１乃至請求項７のいずれかに記載の２板式カラー固体撮像装置。
10. 前記第１固体撮像素子及び前記第２固体撮像素子が夫々電荷結合素子（以下、ＣＣＤという。）で構成されることを特徴とする請求項１乃至請求項９のいずれかに記載の２板式カラー固体撮像装置。
11. 前記第１固体撮像素子及び前記第２固体撮像素子が夫々ＭＯＳ型イメージセンサで構成されることを特徴とする請求項１乃至請求項９のいずれかに記載の２板式カラー固体撮像装置。
12. 前記第１固体撮像素子及び前記第２固体撮像素子の各受光部の配列がハニカム配列であることを特徴とする請求項１乃至請求項１１のいずれかに記載の２板式カラー固体撮像装置。
13. 被写体からの入射光を第１色及第２色を含む光と第３色及び第４色を含む光とに分離し、分離された前記第１色及び第２色の入射光を第１固体撮像素子に入射させ、分離された前記第３色及び第４色の入射光を第２固体撮像素子に入射させる２板式カラー固体撮像装置の色分解プリズムにおいて、前記第１色及び第２色の入射光を反射して前記第１固体撮像素子に入射させるプリズム部材と、前記第３色及び第４色の入射光を反射して前記第２固体撮像素子に入射させるプリズム部材とを備えることを特徴とする２板式カラー固体撮像装置の色分解プリズム。
14. 前記色分解プリズムとして請求項１３記載の色分解プリズムを用いたことを特徴とする請求項１乃至請求項１２のいずれかに記載の２板式カラー固体撮像装置。
15. 請求項１乃至請求項１２のいずれかまたは請求項１４に記載の２板式カラー固体撮像装置を搭載したことを特徴とするデジタルカメラ。
16. 請求項６または請求項７に記載の２板式カラー固体撮像装置と、該２板式カラー固体撮像装置が検出した波長４６０ｎｍ〜５３０ｎｍの光の検出信号により前記第１固体撮像素子が検出した赤色の感度補正を行う信号処理手段とを備えることを特徴とするデジタルカメラ。

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