JP2007235888A - 単板式カラー固体撮像素子及び撮像装置 - Google Patents

Abstract

【課題】解像度の低下を抑制して感度向上と広ダイナミックレンジを実現する。
【解決手段】異なる色Ｒ，Ｇ，Ｂを検出する複数の画素１０１が半導体基板表面に二次元アレイ状に配列形成され前記異なる色のうち同一色を検出する所定数個の画素が隣接配置された単板式カラー固体撮像素子において、前記同一色を検出する所定数個の隣接画素の組１０７が半導体基板表面に市松配列される。これにより、市松配列された前記組４つにより上下左右が囲まれた各位置の画像データを各位置夫々の周りの前記組により得られた画像データから補間演算することができ、解像度の低下が抑制される。
【選択図】図３

Description

本発明は、同一色光を検出する複数画素を隣接配置してダイナミックレンジを広げた単板式カラー固体撮像素子及びこれを搭載した撮像装置に関する。

近年の固体撮像素子は、半導体微細加工技術の進展により数百万画素以上を搭載するのが普通になってきている。このため、１つ１つの画素が受光量に応じて蓄積できる信号電荷の最大量は少なく、撮像画像のダイナミックレンジは狭くなってきている。

そこで、例えば下記特許文献１記載の従来技術では、同一色光を検出する複数画素を隣接配置してダイナミックレンジを広げている。これを図８を用いて説明する。

図示する固体撮像素子１は、各単位画素２が正方格子状に配列されている。各画素２上に示す「Ｒ」「Ｇ」「Ｂ」は、当該画素上に積層されたカラーフィルタの色（Ｒ＝赤、Ｇ＝緑、Ｂ＝青）を示しており、隣接する縦横２画素づつ計４画素に同一色のカラーフィルタが積層され、同一色４画素を１画素とみたときのカラーフィルタ配列はベイヤー配列となっている。

斯かる固体撮像素子１を用い広ダイナミックレンジの画像を撮像する場合には、同一色４画素の蓄積電荷を加算する。個々の画素２の最大蓄積電荷量は少ないが、４画素分を加算するため、最大蓄積電荷量は４倍となる。

特開２０００―６９４９１号公報

図８に示す従来技術では、隣接する同一色４画素を加算することでダイナミックレンジを広げているが、４×４＝１６個の画素２で検出するカラー信号のサンプル点（各同一色４画素の重心位置）は４箇所３，４，５，６となり、原理的に撮像画像の解像度が１／４に低下してしまう。

本発明の目的は、隣接する同一色複数画素を加算してダイナミックレンジを広げることができ、しかも、撮像画像の解像度を大幅に低下させることのない単板式カラー固体撮像素子及びこれを用いた撮像装置を提供することにある。

本発明の単板式カラー固体撮像素子は、異なる色を検出する複数の画素が半導体基板表面に二次元アレイ状に配列形成され前記異なる色のうち同一色を検出する所定数個の画素が隣接配置された単板式カラー固体撮像素子において、前記同一色を検出する所定数個の隣接画素の組が前記半導体基板表面に市松配列されることを特徴とする。

本発明の単板式カラー固体撮像素子は、前記二次元アレイ状の配列が市松配列であることを特徴とする。

本発明の単板式カラー固体撮像素子は、前記二次元アレイ状の配列が正方格子配列であることを特徴とする。

本発明の単板式カラー固体撮像素子は、前記組を構成する所定数個の隣接画素の各画素が検出した信号が加算されることを特徴とする。

本発明の単板式カラー固体撮像素子は、前記加算が固体撮像素子内で行われることを特徴とする。

本発明の単板式カラー固体撮像素子は、前記加算が固体撮像素子から前記信号が読み出された後に行われることを特徴とする。

本発明の撮像装置は、上記のいずれかに記載の単板式カラー固体撮像素子と、前記隣接画素の組４つにより上下左右が囲まれた各位置の画像データを各位置夫々の周りの前記組により得られた画像データから補間演算する演算手段とを備えることを特徴とする。

本発明によれば、加算する隣接画素の組が市松配列されるため、市松配列の残りの市松配列位置の虚画素の画像データを演算処理で求めることができ、解像度の低下が抑制される。

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、本発明の第１の実施形態に係る単板式カラー固体撮像素子を搭載したデジタルカメラの機能ブロック図である。図示するデジタルカメラは、撮影レンズ１０と、ＣＣＤ型の単板式カラー固体撮像素子１００と、この両者の間に設けられた絞り１２と、赤外線カットフィルタ１３と、光学ローパスフィルタ１４とを備える。

デジタルカメラの全体を統括制御するＣＰＵ１５は、フラッシュ発光部１６及び受光部１７を制御し、レンズ駆動部１８を制御して撮影レンズ１０の位置をフォーカス位置に調整し、絞り駆動部１９を介し絞り１２の開口量を制御して露光量調整を行う。

また、ＣＰＵ１５は、撮像素子駆動部２０を介して単板式カラー固体撮像素子１００を駆動し、撮影レンズ１０を通して撮像した被写体画像を色信号として出力させる。ＣＰＵ１５には、操作部２１を通してユーザからの指示信号が入力され、ＣＰＵ１５はこの指示に従って各種制御を行う。

デジタルカメラの電気制御系は、単板式カラー固体撮像素子１００の出力に接続されたアナログ信号処理部２２と、このアナログ信号処理部２２から出力されたＲＧＢの色信号をデジタル信号に変換するＡ／Ｄ変換回路２３とを備え、これらはＣＰＵ１５によって制御される。

更に、このデジタルカメラの電気制御系は、メインメモリ（フレームメモリ）２４に接続されたメモリ制御部２５と、補間演算処理やガンマ補正演算処理，ＲＧＢ／ＹＣ変換処理等を行うデジタル信号処理部２６と、撮像画像をＪＰＥＧ画像に圧縮したり圧縮画像を伸張したりする圧縮伸張処理部２７と、測光データを積算しデジタル信号処理部２６が行うホワイトバランス補正のゲインを求める積算部２８と、着脱自在の記録媒体２９が接続される外部メモリ制御部３０と、カメラ背面等に搭載された液晶表示部３１が接続される表示制御部３２とを備え、これらは、制御バス３３及びデータバス３４によって相互に接続され、ＣＰＵ１５からの指令によって制御される。

図２は、図１に示す単板式カラー固体撮像素子１００の平面模式図である。図示する単板式カラー固体撮像素子１００では、半導体基板上に多数のフォトダイオード（光電変換素子：単位画素）１０１が二次元アレイ状に配列形成され、奇数行のフォトダイオード１０１に対して偶数行のフォトダイオード１０１が１／２ピッチづつずらして配置（所謂、ハニカム配列，市松配列）されている。

各フォトダイオード１０１上に図示した「Ｒ」「Ｇ」「Ｂ」は各フォトダイオード上に積層されたカラーフィルタの色（赤＝Ｒ，緑＝Ｇ，青＝Ｂ）を表しており、各フォトダイオード１０１は、３原色のうちの１色の受光量に応じた信号電荷を蓄積する。尚、原色系カラーフィルタを搭載した例を説明するが、補色系カラーフィルタを搭載することでも良い。

半導体基板表面の水平方向には、各フォトダイオード１０１を避けるように蛇行して垂直転送電極Ｖ１，Ｖ２，…，Ｖ８が敷設されている。半導体基板には垂直方向に並ぶフォトダイオード列の側部に図示しない埋め込みチャネルが、フォトダイオード１０１を避けるように垂直方向に蛇行して形成されている。この埋め込みチャネルと、この上に設けられ垂直方向に蛇行して配置される垂直転送電極とで、垂直転送路（ＶＣＣＤ）１０２が形成され、撮像素子駆動部２０から出力される垂直転送パルスφＶによって転送駆動される。

半導体基板の下辺部には、水平転送路（ＨＣＣＤ）１０３が設けられている。この水平転送路１０３も、埋め込みチャネルとその上に設けられた水平転送電極とで構成され、この水平転送路１０３は、撮像素子駆動部２０から出力される転送パルスφＨによって転送駆動される。水平転送路１０３の出力端部には、該出力端に転送されてきた信号電荷の電荷量に応じた電圧値信号を出力する出力アンプ１０４が設けられている。

本実施形態の単板式カラー固体撮像素子１００は、各垂直転送路１０２の端部と水平転送路１０３との境界部分に、水平転送路１０３に沿うラインメモリ１０５を備える。

このラインメモリ１０５は、撮像素子駆動部２０から出力されるラインメモリ駆動パルスφＬＭによって駆動され、例えば特開２００２―１１２１１９号公報に記載されている様に、各垂直転送路１０２から受け取った信号電荷を一時蓄積し、水平転送路１０３に出力するタイミングを制御することで、信号電荷の水平方向の画素加算を行うため等に使用される。

尚、「垂直」「水平」という用語を使用して説明したが、これは、半導体基板表面に沿う「１方向」「この１方向に対して略直角の方向」という意味である。

図３は、図２に示す各フォトダイオード１０１に設けられるカラーフィルタの配列を説明する図である。本実施形態の単板式カラー固体撮像素子１００では、偶数行の画素（フォトダイオード）１０１と奇数行の画素１０１とが１／２ピッチづつずれたハニカム画素配列となっている。

そして、縦横に隣接する同一色４画素を１つに纏めた加算画素（隣接画素の組）１０７の配列もハニカム配列（市松配列）とし、各加算画素１０７の色が、水平方向にＲ，Ｂ，Ｒ，Ｂ，Ｒ，…と並ぶ行と、Ｇ，Ｇ，Ｇ，Ｇ，…と並ぶ行と、Ｂ，Ｒ，Ｂ，Ｒ，Ｂ，…と並ぶ行と、Ｇ，Ｇ，Ｇ，Ｇ，…と並ぶ行とが繰り返す様に、各フォトダイオード１０１の色が定められる。

図４は、図１に示す撮像素子駆動部２０が上述した単板式カラー固体撮像素子１００を駆動して、加算画素１０７（図３）の４画素の信号電荷を水平転送路１０３上で加算する様子を示すタイミングチャートである。Ｈ１，Ｈ２，Ｈ３，Ｈ４は水平転送パルスを示し、ＬＭはラインメモリ駆動パルスを示し、Ｖ８は垂直転送路最終段電極Ｖ８に印加される垂直転送パルスを示す。垂直転送パルスＶ８がオン（ローＬからハイＨ）となったタイミングで、垂直転送路１０２からラインメモリ１０５に信号電荷が移される。

図２に符号１０８で示す２行のフォトダイオード行（Ｇ，Ｂ，Ｇ，Ｒ，Ｇ，Ｂ，Ｇ，Ｒ，…と並ぶ行と、Ｂ，Ｂ，Ｒ，Ｒ，Ｂ，Ｂ，Ｒ，Ｒ，…と並ぶ行）の各信号電荷の色を、左側から右側方向にジグザグに読むと、Ｇ，Ｂ，Ｂ，Ｂ，Ｇ，Ｒ，Ｒ，Ｒ，Ｇ，Ｂ，Ｂ，…と並ぶ。この信号電荷の並びが、図４の最上段に示すラインメモリ１０５上に格納される。

ラインメモリ１０５上に３つづつ並ぶＢとＲの夫々の右端の信号電荷Ｂ，Ｒが水平転送路１０３に移されこの信号電荷が水平方向（左方向）に１段転送される毎にラインメモリ１０５上の同色の信号電荷が加算されることで、水平転送路上で３画素分の信号電荷３Ｂ，３Ｒが加算され、転送される。

この状態で、ラインメモリ１０５上には、Ｇ信号電荷が残っている。図２に示す次の２行１０９の信号電荷の並びは、Ｇ，Ｇ，Ｒ，Ｇ，Ｇ，Ｇ，Ｂ，Ｇ，Ｇ，Ｇ，…であり、これがラインメモリ１０５に格納されると、ラインメモリ１０５上に残っている信号電荷と加算され、２Ｇ，Ｇ，Ｒ，Ｇ，２Ｇ，Ｇ，Ｂ，Ｇ，２Ｇ，…となる。

このラインメモリ１０５上の信号電荷が水平転送路１０３に読み出され、１段転送される毎にラインメモリ１０５上の信号電荷が加算されると、Ｇ信号電荷が４画素分加算されることになる。そして、ラインメモリ１０５上には、Ｒ信号電荷とＢ信号電荷とが残る。

上記では、図２の２行１０８の信号電荷の並びはＧ，Ｂ，Ｂ，Ｂ，Ｇ，Ｒ，Ｒ，Ｒ，Ｇ，…であり、これがラインメモリ１０５に格納されると説明し、これを図４の最上段に図示したが、これは説明の都合であり、実際には、図２の２行１０８より前に読み出され転送された２行１１０信号電荷の残りＢ，Ｒがラインメモリ１０５に残っている。

このため、ラインメモリ１０５に２行１０８の信号電荷が格納されたとき、信号電荷の並びは、Ｇ，Ｂ，２Ｂ，Ｂ，Ｇ，Ｒ，２Ｒ，Ｒ，Ｇ，…となるのが正しい。従って、上述した説明では、３Ｂ，３Ｒの信号電荷が水平転送路１０５上で加算され転送されると説明したが、実際には、４Ｂ，４Ｒの４画素分の信号電荷（図３の加算画素１０７の４画素分）が水平転送路１０３上で加算されることになる。

以上の様にして、図３に示す各加算画素１０７毎の４信号電荷が水平転送路１０３上で加算され、出力端部まで転送されて来ると、出力アンプ１０４が加算信号電荷量に応じた電圧値信号を画像データ（色信号）として読み出す。この色信号が、図１のアナログ信号処理部２０，Ａ／Ｄ変換部２３を通り、フレームメモリ２４に格納され、また、フレームメモリ２４から読み出された色信号がデジタル信号処理部２６に読み出され、各種画像処理が行われる。

このとき、デジタル画像信号処理部２６は、補間演算処理も行う。補間演算処理とは、次の様な処理である。図３に示したように、加算画素１０７もハニカム配列になっている。この加算画素１０７の重心位置を図示すると、図５に示す様になり、加算画素（実画素）１０７の位置の画像データが固体撮像素子１００から読み出されることになる。

しかし、画像データがハニカム配列（市松配列）のままでは、撮像画像を構成することができない。撮像画像として構成するには、図４に点線丸印で示した虚画素１０１の画像データが必要である。このため、各虚画素１０１の画像データを、その周囲の実画素１０７の画像データを補間演算処理することで求める。これにより、実画素１０７，虚画素１１１の各画像データの並びが正方格子配列となり、撮像画像を構成することが可能となる。

即ち、本実施形態によれば、４つのフォトダイオード１０１の信号を加算するため、感度が高くなりダイナミックレンジが広がるが、その一方で、解像度は低下する。しかし、図８で説明したように、解像度が１／４になることはない。それは、実画素１０７の他に、実画素と同数の虚画素１１１の画像データが得られるためであり、４つのフォトダイオード１０１の信号電荷を加算しても、ハニカム配列のため解像度は１／２になるだけである。

（第２の実施形態）
図６は、本発明の第２実施形態に係る単板式カラー固体撮像素子２００の表面模式図である。本実施形態の単板式カラー固体撮像素子２００では、各単位画素２０１は正方格子配列になっている。しかし、隣接する４画素を加算した加算画素２０２の配列がハニカム配列となるように、各画素２０１に設けるカラーフィルタの色が決められている。

この様に、単位画素２０１は正方格子配列されていても、加算画素２０２の配列をハニカム配列としたため、第１実施形態と同様に、解像度の低下を抑えつつ感度を高めダイナミックレンジを広げることが可能となる。

（第３の実施形態）
図７は、本発明の第３実施形態に係る単板式カラー固体撮像素子３００の表面模式図である。本実施形態の単板式カラー固体撮像素子３００でも、各単位画素３０１は正方格子配列になっている。また、隣接する４画素を加算した加算画素３０２の配列もハニカム配列となるように、各画素３０１に設けるカラーフィルタの色が決められている。

第２実施形態との違いは、カラーフィルタの配置にある。第２実施形態では、Ｇのカラーフィルタは横ストライプ状に設けられ、Ｇストライプの間に、横方向にＲ，Ｂが交互に並ぶカラーフィルタが設けられるが、本実施形態では、Ｇのカラーフィルタは縦ストライプ状に設けられる。また、Ｇストライプの間に、縦方向にＲ，Ｂが交互に並ぶカラーフィルタが設けられる。本実施形態でも第２実施形態と同様の効果が得られる。

尚、上述した実施形態では、ＣＣＤ型の固体撮像素子を説明したが、ＭＯＳ型の固体撮像素子でも同様である。ＭＯＳ型の場合、固体撮像素子内で信号電荷の加算はできないが、各フォトダイオードから読み出した画像データを信号処理で加算すればよい。

また、ＣＣＤ型固体撮像素子でも、固体撮像素子内で信号電荷の加算を行う必要はなく、固体撮像素子から読み出した画像データを信号処理で加算する構成でもよい。

本発明に係る単板式カラー固体撮像素子は、感度が高くダイナミックレンジが広く、しかも解像度も高いため、デジタルカメラに搭載する固体撮像素子として有用である。

本発明の第１実施形態に係るデジタルカメラの機能ブロック構成図である。 図１に示す単板式カラー固体撮像素子の表面模式図である。 図２に示す単板式カラー固体撮像素子の各画素に搭載するカラーフィルタ配列を示す図である。 図２に示す単板式カラー固体撮像素子に設けられたラインメモリ及び水平転送路を用いた信号加算のタイミングチャートである。 図１に示すデジタル信号処理部が行う補間演算処理の説明図である。 本発明の第２実施形態に係る単板式カラー固体撮像素子の表面模式図である。 本発明の第３実施形態に係る単板式カラー固体撮像素子の表面模式図である。 従来の単板式カラー固体撮像素子の表面模式図である。

符号の説明

１５ ＣＰＵ
２０ 撮像素子駆動部
２６ デジタル信号処理部
１００，２００，３００ 単板式カラー固体撮像素子
１０１，２０１，３０１ フォトダイオード（単位画素）
１０２ 垂直転送路（ＶＣＣＤ）
１０３ 水平転送路（ＨＣＣＤ）
１０４ 出力アンプ
１０５ ラインメモリ
１０７，２０２，３０２ 加算画素（実画素による隣接画素の組）
１１１ 虚画素

Claims (7)

1. 異なる色を検出する複数の画素が半導体基板表面に二次元アレイ状に配列形成され前記異なる色のうち同一色を検出する所定数個の画素が隣接配置された単板式カラー固体撮像素子において、前記同一色を検出する所定数個の隣接画素の組が前記半導体基板表面に市松配列されることを特徴とする単板式カラー固体撮像素子。
2. 前記二次元アレイ状の配列が市松配列であることを特徴とする請求項１に記載の単板式カラー固体撮像素子。
3. 前記二次元アレイ状の配列が正方格子配列であることを特徴とする請求項１に記載の単板式カラー固体撮像素子。
4. 前記組を構成する所定数個の隣接画素の各画素が検出した信号が加算され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単板式カラー固体撮像素子。
5. 前記加算は固体撮像素子内で行われることを特徴とする請求項４に記載の単板式カラー固体撮像素子。
6. 前記加算は固体撮像素子から前記信号が読み出された後に行われることを特徴とする請求項４に記載の単板式カラー固体撮像素子。
7. 請求項１乃至請求項６のいずれかに記載の単板式カラー固体撮像素子と、前記隣接画素の組４つにより上下左右が囲まれた各位置の画像データを各位置夫々の周りの前記組により得られた画像データから補間演算する演算手段とを備えることを特徴とする撮像装置。

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