固态摄像元件和电子装置的制作方法

本发明涉及固态摄像元件和电子装置，并尤其涉及能够在抑制图像质量劣化的同时扩大动态范围的固态摄像元件和电子装置。

背景技术：

通常，在采用拜尔阵列(bayerarray)的固态摄像元件中，提出了如下一种技术：使两个布置有绿色滤色器的像素的光接收元件的尺寸存在差异，并根据入射光的量选择性地使用这两个具有不同灵敏度的像素的像素信号，以扩大动态范围(例如，参见专利文献1)。

引用文献列表

专利文献

专利文献1：日本专利申请特开第10-189930号

技术实现要素：

技术问题

然而，在专利文献1所描述的技术中，两个像素的灵敏度大体上不同。因此，在对所使用的像素信号进行切换时的入射光量附近可能发生颜色和亮度在空间方向和时间方向上的不自然变化的现象。

此外，在采用拜耳阵列的固态摄像元件中，在每个像素中利用周围像素的颜色信息插值出不同于待被检测的颜色的颜色信息。因此，可能出现伪色(falsecolor)。

本发明是鉴于以上原因提出的，并且旨在在抑制图像质量劣化的同时扩大动态范围。

技术方案

本发明的第一方面的固态摄像元件包括：像素单元，在所述像素单元中布置有基本图案像素组，每个所述基本图案像素组具有根据预定图案布置的多种颜色的输出像素，所述输出像素是基于像素信号的输出单位的像素，所述输出像素之中的至少一种颜色的输出像素具有三种以上的尺寸；和信号处理单元，所述信号处理单元用于对来自具有相同颜色和不同尺寸的多个所述输出像素的多个像素信号执行合成处理。

每种颜色的所述输出像素分别可以具有两种以上的尺寸，并且在所述图案中，由多个第一输出像素构成的第一像素组的颜色阵列和由多个第二输出像素构成的第二像素组的颜色阵列可以不同，所述第二输出像素与所述第一输出像素具有不同的尺寸。

所述第一像素组可以环绕所述第二像素组的外围。

至少一个所述第一输出像素可以环绕一个所述第二输出像素的外围。

每种颜色的所述输出像素可以分别具有三种以上的尺寸，并且在所述图案中，由多个第一输出像素构成的第一像素组可以环绕由多个第二输出像素构成的第二像素组的外围，所述第二输出像素与所述第一输出像素具有不同的尺寸，并且所述第二像素组可以环绕由多个第三输出像素构成的第三像素组的外围，所述第三输出像素与所述第二输出像素具有不同的尺寸。

每个所述输出像素可以由一个以上的单位像素构成，所述单位像素分别包括具有相同尺寸的光接收元件。

最小的所述输出像素可以由一个所述单位像素构成，并且具有其他尺寸的像素可以由多个所述单位像素构成。

每个所述输出像素可以通过所述单位像素与布线的组合形成。

在所述信号处理单元合成来自具有相同颜色和三种以上的尺寸的多个所述输出像素的多个像素信号的情况下，所述信号处理单元可以根据入射光量选择所述多个像素信号中的一个像素信号并输出所选择的像素信号，并且所述信号处理单元可以使具有另外尺寸和后续尺寸的所述输出像素的像素信号与预定系数相乘并输出相乘后的像素信号。

在所述信号处理单元合成来自具有相同颜色和三种以上的尺寸的多个所述输出像素的多个像素信号的情况下，所述信号处理单元可以根据入射光量选择所述多个像素信号中的两个像素信号并输出通过以预定比率合成所选择的像素信号而获得的信号。

本发明的第二方面的电子装置包括固态摄像元件和第一信号处理单元，所述第一信号处理单元用于处理从所述固态摄像元件输出的信号，所述固态摄像元件包括：像素单元，在所述像素单元中布置有基本图案像素组，每个所述基本图案像素组具有根据预定图案布置的多种颜色的输出像素，所述输出像素是基于像素信号的输出单位的像素，所述输出像素之中的至少一种颜色的输出像素具有三种以上的尺寸；以及第二信号处理单元，所述第二信号处理单元用于对来自具有相同颜色和不同尺寸的多个所述输出像素的多个像素信号执行合成处理。

本发明的第三个方面的固态摄像元件包括：像素单元，在所述像素单元中布置有基本图案像素组，每个所述基本图案像素组具有根据预定图案布置的多种颜色的输出像素，所述输出像素是基于像素信号的输出单位的像素，所述输出像素针对每种颜色具有两种以上的尺寸，并且在所述图案中，由多个第一输出像素构成的第一像素组的颜色阵列和由多个第二输出像素构成的第二像素组的颜色阵列不同，所述第二输出像素与所述第一输出像素具有不同的尺寸；和信号处理单元，所述信号处理单元用于对来自具有相同颜色和不同尺寸的多个所述输出像素的多个像素信号执行合成处理。

所述第一像素组可以环绕所述第二像素组的外围。

至少一个所述第一输出像素可以环绕一个所述第二输出像素的外围。

每个所述输出像素可以由一个以上的单位像素构成，所述单位像素分别包括具有相同尺寸的光接收元件。

最小的所述输出像素可以由一个所述单位像素构成，并且具有其它尺寸的像素可以由多个所述单位像素构成。

每个所述输出像素可以通过所述单位像素与布线的组合形成。

本发明的第四个方面的固态摄像元件包括固态摄像元件和第一信号处理单元，所述第一信号处理单元用于处理从所述固态摄像元件输出的信号，所述固态摄像元件包括：像素单元，在所述像素单元中布置有基本图案像素组，每个所述基本图案像素组具有根据预定图案布置的多种颜色的输出像素，所述输出像素是基于像素信号的输出单位的像素，所述输出像素针对每种颜色具有两种以上的尺寸，并且在所述图案中，由多个第一输出像素构成的第一像素组的颜色阵列和由多个第二输出像素构成的第二像素组的颜色阵列不同，所述第二输出像素与所述第一输出像素具有不同的尺寸；和第二信号处理单元，所述第二信号处理单元用于对来自具有相同颜色和不同尺寸的多个所述输出像素的多个像素信号执行合成处理。

在本发明的第一个方面中，对来自像素单元的具有相同颜色和不同尺寸的多个输出像素的多个像素信号执行合成处理，在像素单元中布置有基本图案像素组，每个基本图案像素组具有根据预定图案布置的多种颜色的输出像素，输出像素是基于像素信号的输出单位的像素，输出像素之中的至少一种颜色的输出像素具有三种以上的尺寸。

在本发明的第二个方面中，对来自像素单元的具有相同颜色和不同尺寸的多个输出像素的多个像素信号执行合成处理并对合成处理之后的信号执行处理，在像素单元中布置有基本像素组，每个基本像素组具有根据根据预定图案布置的多种颜色的输出像素，输出像素是基于像素信号的输出单位的像素，输出像素之中的至少一者颜色的输出像素具有三种以上的尺寸。

根据本发明的第三个方面，对来自像素单元的具有相同颜色和不同尺寸的多个输出像素的多个像素信号执行合成处理，在像素单元中布置有基本图案像素组，在像素单元中布置有基本图案像素组，每个基本图案像素组具有根据预定图案布置的多种颜色的输出像素，输出像素是基于像素信号的输出单位的像素，输出像素针对每种颜色具有两种以上的尺寸，并且在图案中，由多个第一输出像素构成的第一像素组的颜色阵列和由多个第二输出像素构成的第二像素组的颜色阵列不同，第二输出像素与第一输出像素具有不同的尺寸。

根据本发明的第四个方面，对来自像素单元的具有相同颜色和不同尺寸的多个输出像素的多个像素信号执行合成处理并对合成处理之后的信号执行处理，在像素单元中布置有基本图案像素组，每个基本图案像素组具有根据预定图案布置的多种颜色的输出像素，输出像素是基于像素信号的输出单位的像素，输出像素针对每种颜色具有两种以上的尺寸，并且在图案中，由多个第一输出像素构成的第一像素组的颜色阵列和由多个第二输出像素构成的第二像素组的颜色阵列不同，第二输出像素与第一输出像素具有不同的尺寸。

技术效果

根据本发明的第一至第四方面，能够在抑制图像质量劣化的同时能够扩大动态范围。

注意，本说明书中描述的效果仅仅是示例，本发明的效果不限于说明书中描述的效果，并且可能具有另外的效果。

附图说明

图1是示出应用本发明的固态摄像元件的构造示意图的框图。

图2是示出基本图案像素组的构造示例的示图。

图3是示出同颜色像素组的构造示例的电路图。

图4是示出基本图案的第一示例的示图。

图5是示出基本图案的第二示例的示图。

图6是示出基本图案的第三示例的示图。

图7是示出基本图案的第四示例的示图。

图8是示出基本图案的第五示例的示图。

图9是示出基本图案的第六示例的示图。

图10是示出基本图案的第七示例的示图。

图11是示出基本图案的第八示例的示图。

图12是示出基本图案的第九示例的示图。

图13是示出基本图案的第十示例的示图。

图14是示出基本图案的第十一示例的示图。

图15是示出基本图案的第十二示例的示图。

图16是示出基本图案的第十三示例的示图。

图17是示出基本图案的第十四示例的示图。

图18是示出基本图案的第十五示例的示图。

图19是示出基本图案的第十六示例的示图。

图20是示出基本图案的第十七示例的示图。

图21是示出基本图案的第十八示例的示图。

图22是示意地示出像素信号特征的第一示例的曲线图。

图23是示意地示出合成信号特性的第一示例的曲线图。

图24是示意地示出像素信号特征的第二示例的曲线图。

图25是示意地示出合成信号特征的第二示例的曲线图。

图26是示出固态摄像元件的应用示例的示图。

图27是示出应用本发明的电子装置的构造示例的框图。

具体实施方式

在下文中，将说明实施本发明的方式(在下文中称为实施例)。注意，说明将根据以下顺序进行。

1.实施例

2.变形例

3.固态摄像元件的应用示例

<1.实施例>

{基本系统构造}

图1是示出应用本发明的固态摄像元件的实施例的框图。图1所示的固态摄像元件10例如由cmos摄像元件(其是一种x-y寻址型固态摄像元件)构成。

固态摄像元件10包括像素单元11、垂直扫描电路12、列处理单元13、水平传输单元14、逻辑单元15、放大器单元16及信号处理单元17。

在像素单元11中，基本图案像素组gp以二维的方式(m行×n列)布置。这里，基本图案像素组gp是形成图2等所示的基本图案的像素组。此外，在图像单元11中，作为行信号线的像素驱动线18-1至18-m基于基本图案像素组gp沿着每行(在下文中称为基本图案行)的行方向布线。此外，在像素单元11中，作为列信号线的垂直信号线19-1至19-n基于基本图案像素组gp沿着每列(在下文中称为基本图案列)的列方向布线。

注意，在下文中，基本图案行和基本图案列可分别简称为行或者列。此外，在下文中，在基本图案像素组gp需要被单独地区分的情况下，使用基本图案像素组gp的坐标来进行区分，例如基本图案像素组gp(m,n)。

像素驱动线18-1至18-m传送用于读取基本图案像素组gp的像素信号的驱动信号。注意，在图1中，像素驱动线18-1至18-m被示出为一条线。但是，实际上，像素驱动线18-1至18-m由多条线构成。

注意，在下文中，在像素驱动线18-1至18-m和垂直信号线19-1至19-n不需要被单独区分的情况下，它们分别简称为像素驱动线18和垂直信号线19。

这里，将参照图2进行说明基本图案像素组gp的构造示例。注意，图2示出了基本图案像素组gp(1,1)至gp(2,2)。

在基本图案像素组gp中，根据预定基本图案布置有具有多个尺寸的输出像素。

这里，输出像素是基于像素信号的输出单位的像素。具体地，输出像素是如下情况下的像素：基于将像素信号从像素单元11输出至列处理单元13的单位来划分像素。因此，每个输出像素各自地输出像素信号，并且输出像素信号被从像素单元11提供至列处理单元13。

此外，输出像素由一个或多个单位像素构成。这里，单位像素是以下情况下的像素：基于光接收元件(例如，光电二极管)来划分像素。因此，每个单位像素包括一个光接收元件。

图2示出了在每个基本图案像素组gp包括输出像素r1至r3、输出像素g1a至g3a、输出像素g1b至g3b以及输出像素b1至b3的情况下的示例。输出像素r1至r3设置有红色(r)滤色器，以检测入射光中含有的红色附近的波段成分。输出像素g1a至g3a和输出像素g1b至g3b设置有绿色(g)滤色器，以检测入射光中含有的绿色附近的波段成分。输出像素b1至b3设置有蓝色(b)滤色器，以检测入射光中含有的蓝色附近的波段成分。

此外，图2中的由点划线所分割的单元格表示最小像素单位。最小像素单位是能够构成单位像素的最小单位。例如，可以在每个最小像素单位中可以设置具有相同尺寸的光接收元件，或者可以在多个最小像素单位中设置一个光接收元件。

例如，当在每个最小像素单位中设置具有相同尺寸的光接收元件的情况下，单位像素的光接收面积几乎等于最小像素单位。在这种情况下，例如，在图2的示例中，输出像素r1由十二个单位像素构成，输出像素r2由三个单位像素构成，且最小的输出像素r3由一个单位像素构成。

此外，例如，每个输出像素可由一个单位像素构成。在这种情况下，例如，在图2的示例中，构成输出像素r1的单位像素的光接收面积几乎等于12个最小像素单位。构成输出像素r2的单位像素的光接收面积几乎等于3个最小像素单位。构成输出像素r3的单位像素的光接收面积几乎等于1个最小像素单位。

注意，在下文中，将基本图案像素组gp中包括的具有相同颜色的输出像素的像素组称为同颜色像素组。例如，图2的基本图案像素组gp包括具有输出像素r1至r3的同颜色像素组、具有输出像素g1a至g3a的同颜色像素组、具有输出像素g1b至g3b的同颜色像素组和具有输出像素b1至b3的同颜色像素组。注意，具有输出像素g1a至g3a的同颜色像素组和具有输出像素g1b至g3b的同颜色像素组是相同颜色的像素组，但是它们以处理为单位被分成两组。

图3示出构成图2中的基本图案像素组gp的同颜色像素组的电路的构造示例。本示例示出了如下情况：同颜色像素组中包括的每个输出像素包括作为一个光接收元件的光电二极管。即，图3示出了如下示例：同颜色像素组中包括的每个输出像素由一个单位像素构成。

图3的同颜色像素组包括作为有源元件的用于三个光电二极管101-1至101-3的六个晶体管，这六个晶体管是作为三个传输元件的传输晶体管102-1至102-3、作为一个复位元件的复位晶体管103、一个放大晶体管105以及一个选择晶体管106。另外，同颜色像素组100具有共用像素结构，在该共用像素结构中，三组的光电二极管和传输晶体管共用一个浮动扩散部(fd)104、放大晶体管105以及选择晶体管106。

例如，在将同颜色像素组100应用于图2中的包括输出像素r1至r3的同颜色像素组的情况下，输出像素r1包括光电二极管101-1和传输晶体管102-2，输出像素r2包括光电二极管101-2和传输晶体管102-2，并且输出像素r3包括光电二极管101-3和传输晶体管102-3。此外，输出像素r1至r3共用fd104、放大晶体管105以及选择晶体管106。

光电二极管101-1至101-3执行光电转换，以将入射光转换成具有与相应的光量相对应的量的电荷。例如在光电二极管101-1至101-3被分别包括在输出像素r1至r3中的情况下，光电二极管101-1的光接收面积是最大的，光电二极管101-2的光接收面积是第二大的，并且光电二极管101-3的光接收面积是最小的。

传输晶体管102-1至102-3分别连接在光电二极管101-1至101-3和作为输出节点的fd104之间。

当通过传输控制线将传输信号trg1从垂直扫描电路12提供到栅极时(当传输信号trg1接通时)，传输晶体管102-1接通。当传输晶体管102-1接通时，通过传输晶体管102-1将光电二极管101-1中光电转换的电子传输至fd104。

当通过传输控制线将传输信号trg2从垂直扫描电路12提供到栅极时(当传输信号trg2接通时)，传输晶体管102-2接通。当传输晶体管102-2接通时，通过传输晶体管102-2将光电二极管101-2中光电转换的电子传输至fd104。

当通过传输控制线将传输信号trg3从垂直扫描电路12提供到栅极时(当传输信号trg3接通时)，传输晶体管102-3接通。当传输晶体管102-3接通时，通过传输晶体管102-3将光电二极管101-3中光电转换的电子传输至fd104。

复位晶体管103连接在电源线和fd104之间。当通过复位控制线将复位信号rst从垂直扫描电路12提供到栅极时(当复位信号rst接通时)，复位晶体管103接通。当复位晶体管103接通时，fd104的电位被复位为电源线的电位。

fd104连接至放大晶体管105的栅极。放大晶体管105通过选择晶体管106连接至垂直信号线19，并且与像素单元11外部的电流源43一起构成电流源电路。当通过选择控制线将控制信号sel从垂直扫描电路12提供到栅极时(当控制信号sel接通时)，选择晶体管106接通。当选择晶体管106接通时，放大晶体管105放大fd104的电位并且将与该电位相对应的像素信号输出至垂直信号线19。通过垂直信号线19将从同颜色像素组100中输出的像素信号提供至作为像素信号读取单元的列处理单元13。

例如，当传输晶体管102-1至102-3、复位晶体管103以及选择晶体管106的栅极以行为单位连接时，针对一行的基本图案像素组gp的相同颜色的同颜色像素组100，同时执行这些操作。

注意，传输晶体管102-1至102-3各自接通。例如，在将同颜色像素组100应用于图2的包括输出像素r1至r3的同颜色像素组并且输出像素r1至r3分别包括光电二极管101-1至101-3的情况下，当传输晶体管102-1接通时，输出像素r1的与由光电二极管101-1接收的光量相对应的像素信号被输出至垂直信号线19。当传输晶体管102-2接通时，输出像素r2的与由光电二极管101-2接收的光量相对应的像素信号被输出至垂直信号线19。当传输晶体管102-3接通时，输出像素r3的与由光电二极管101-3接收的光量相对应的像素信号被输出至垂直信号线19。

此外，图3中的用于同颜色像素组100的像素驱动线18包括三条传输控制线、一条复位控制线以及一条选择控制线。例如，在将图3的同颜色像素组应用于图2中的基本图案像素组gp的情况下，一个基本图案像素组gp包括四个同颜色像素组100。因此，在这种情况下，一行的像素驱动线18包括例如十二条传输控制线、四条复位控制线以及四条选择控制线。

注意，图3中的电路构造是示例，并且可以采用其他的电路构造。

例如，图3示出了基本图案像素组中包括的同颜色像素组由一个共用像素构成的示例。然而，同颜色像素组中包括的输出像素可以分别由独立的像素构成。

此外，图3示出了例如每个输出像素包括一个光电二极管的示例。然而，一个输出像素可以设置有多个光电二极管。例如，如上所述，当在每个最小像素单位中设置一个具有相同尺寸的光接收元件的情况下，在图2的输出像素r1和r2等中设置多个光电二极管。

注意，当在每个最小像素单位中设置一个具有相同尺寸的光接收元件的情况下，例如，在固态摄像元件10的布线过程之后，可以自由地改变基本图案的构造。例如，通过改变单位像素之间的布线以及滤色器的布置，可以自由地改变基本图案中的每种颜色的输出像素的数量、尺寸及位置。在这种情况下，通过单位像素和布线的组合形成每个输出像素。

再次参照图1，垂直扫描电路12例如由移位寄存器、地址解码器等构成，并且以基本图案行等为单位驱动像素单元11的基本图案像素组gp。即，垂直扫描电路12与用于控制垂直扫描电路12的逻辑单元15一起构成用于控制像素单元11的基本图案像素组gp的驱动单元。

对于每个基本图案列，通过垂直信号线19将从被垂直扫描电路12选择并扫描的基本图案行的基本图案像素组gp输出的像素信号通输入至列处理单元13。

列处理单元13针对通过垂直信号线19从所选择的基本图案行的每个基本图案像素组gp提供的像素信号执行预定信号处理，并且在信号处理之后临时地保存像素信号。

具体地，列处理单元13包括da转换电路(dac)41、比较器42-1至42-n、电流源43-1至43-n和计数器(cnt)44-1至44-n。另外，为每个基本图案列设置包括比较器42-i、电流源43-i和计数器44-i(i＝1至n)的单位电路。

注意，在下文中，在不需要单独区分比较器42-1至42-n、电流源43-1至43-n和计数器(cnt)44-1至44-n的情况下，它们可以分别简称为比较器42、电流源43以及计数器44。

比较器42比较由dac41生成的参考电压(斜坡波)和通过垂直信号线19提供的像素信号，并将表示比较结果的输出信号提供至计数器44。

计数器44对从比较器42开始比较处理时到比较器42的输出信号翻转时的时间进行计数。然后，通过水平传输电路14将用于表示计数器44的计数结果的数字像素信号提供至放大器电路16。

由此，列处理单元13执行像素信号的a/d转换。注意，除a/d转换处理之外，列处理单元13还可以执行去噪处理、相关双采样处理(cds)、双数据采样处理(dds)等。

水平传输电路14由位移寄存器、地址解码器等构成，并且顺序地选择与列处理单元13的基本图案列相对应的单位电路。通过由水平转换电路14进行的选择性扫描，在列处理单元13中针对每个单位电路处理的像素信号被顺序地输出。

逻辑单元15由用于产生各种时序信号的时序发生器等构成，并且基于由时序发生器产生的各种类型的时序信号来驱动和控制垂直扫描电路12、列处理单元13、水平传输电路14等。

放大器电路16放大从计数器44提供的像素信号，并且将放大后的信号提供至信号处理单元17。

信号处理单元17针对从放大器电路16提供的像素信号执行各种类型的信号处理，以产生图像信息。注意，由信号处理单元17执行的信号处理包括如下所述的同颜色像素组中的输出像素的像素信号的合成处理。然后，信号处理单元17输出所产生的图像数据。

{基本图案的示例}

在下文中，将参照图4至图25说明像素单元11的基本图案像素组gp的输出像素的布置(即基本图案)的示例。

注意，在图4至图21中，具有大的光接收面积的输出像素(在下文中也称为大像素)由附图标记r1、g1a、g1b、b1以及c1a至c1c表示。具有中等光接收面积的输出像素(在下文中也称为中像素)由附图标记r2、g2a、g2b、b2以及c2a至c2c表示。具有小的光接收面积的输出像素(在下文中也称为小像素)由附图标记r3、g3a、g3b、b3以及c3a至c3c表示。

图4至图11示出了如下基本图案的实施例，在该基本图案中，针对每种颜色布置有两种输出像素(大像素和小像素)。此外，图4、图5和图7至图10示出了输出像素由三种颜色(红色(r)、绿色(g)和蓝色(b))构成的示例，并且图6和图11示出了输出像素由两种颜色(红色(r)和透明(c))构成的示例。注意，透明像素是没有设置滤色器的像素或者设置有透明滤色器的像素，并且是类似于所谓的白色像素(w)的像素。例如，这种rccc颜色系统用于提高在红光波段(例如，刹车灯等)中的光的检测精度，这在车载感测等方面是重要的。

在图4所示的基本图案中，根据拜耳阵列布置有大像素r1、大像素g1a、大像素g1b和大像素b1的大像素组和根据拜耳阵列布置有小像素r3、小像素g3a、小像素g3b和小像素b3的小像素组并排布置。注意，例如，大像素组和小像素组可以彼此上下布置。

在图5所示的基本图案中，包括小像素r3、小像素g3a、小像素g3a和小像素b3的小像素组根据拜耳阵列布置。此外，包括大像素r1大像素g1a、大像素g1b和大像素b1的大像素组根据拜耳阵列布置成环绕小像素组的外围。即，在此基本图案中，大像素组环绕小像素组的外围，并且大像素组和小像素组的颜色阵列相同。

在图6的基本图案中，包括小像素r3、小像素c3a、小像素c3b和小像素c3c的小像素组以2行×2列的方式布置。具体地，小像素c3a布置在小像素r3的右侧，小像素c3c布置在小像素r3的下侧，并且小像素c3b布置在小像素r3的斜右下侧。此外，包括大像素r1、大像素c1a、大像素c1b和大像素c1c的大像素组根据与小像素组相似的颜色阵列布置成环绕小像素组的外围。即，在这种基本图案中，大像素组环绕小像素组的外围，并且大像素组和小像素组的颜色阵列相同。

在图7的基本图案中，包括小像素r3、小像素g3a、小像素g3b和小像素b3的小像素组根据拜耳阵列布置。此外，包括大像素r1、大像素g1a、大像素g1b和大像素b1的大像素组根据拜耳阵列布置成环绕小像素组的外围。注意，大像素组的颜色阵列为小像素组的颜色阵列旋转180度之后的阵列。即，在此基本图案中，大像素组环绕小像素组的外围，并且大像素组和小像素组的颜色阵列不同。

图8的基本图案和图7的基本图案的不同在于小像素r3和小像素b3的位置。即，小像素r3布置在大像素b1的中心处，并且大像素b1环绕小像素r3的外围。此外，小像素b3布置在大像素r1的中心处，并且大像素r1环绕小像素b3的外围。即，在此基本图案中，小像素组布置在大像素组中，并且大像素组和小像素组的颜色阵列不同。此外，小像素组的布置在左右方向以及上下方向上是不对称的。

在图9的基本图案中，包括大像素r1、大像素g1a、大像素g1b和大像素b1的大像素组根据拜耳阵列布置。此外，包括小像素r3、小像素g3a、小像素g3b和小像素b3的小像素组根据拜耳阵列布置。注意，小像素组的颜色阵列是大像素组的颜色阵列旋转180度之后的阵列。此外，小像素r3布置在大像素b1的中心处，并且大像素b1环绕小像素r3的外围。小像素g3a布置在大像素g1b的中心处，并且大像素g1b环绕小像素g3a的外围。小像素g3b布置在大像素g1a的中心处，并且大像素g1a环绕小像素g3b的外围。小像素b3布置在大像素r1的中心处，并且大像素r1环绕小像素b3的外围。即，在此基本图案中，小像素组布置在大像素组中，并且大像素组和小像素组的颜色阵列不同。此外，小像素大体上布置在大像素的中心处。

图10的基本图案与图7的基本图案的不同在于小像素组的布置。即，与图7的基本图案相比，在图10的基本图案中，小像素组的颜色阵列逆时针旋转90度。

图11的基本图案与图6的基本图案的不同在于小像素组的布置。即，与图6的基本图案相比，在图11的基本图案中，小像素组的颜色阵列旋转180度。因此，在此基本图案中，大像素组环绕小像素组的外围，并且大像素组和小像素组的颜色阵列不同。

图12至图16示出了如下情况下的基本图案的示例：绿色输出像素由三种像素(大像素、中像素和小像素)构成，并且红色像素和蓝色像素由两种像素(大像素和小像素)构成。

图12的基本图案是通过将图4的基本图案的小像素g3a替换为中像素g2a获得的图案。

图13的基本图案是通过将图5的基本图案的小像素g3a替换为中像素g2a获得的图案。

图14的基本图案是通过将图7的基本图案的小像素g3b替换为中像素g2b获得的图案。

图15的基本图案是通过将图8的基本图案的小像素g3b替换为中像素g2b获得的图案。

图16的基本图案是通过将图9的基本图案的小像素g3b替换为中像素g2b获得的图案。

通过这种方式，图12至图16的基本图案由包括大像素的大像素组以及包括中像素和小像素的不规则尺寸像素组构成，并且这些像素组均遵循类似于图4、图5和图7至图9的颜色阵列的颜色阵列。

图17至21示出了如下基本图案的示例，在该基本图案中，每种颜色的输出像素由大像素、中像素以及小像素这三种像素构成。此外，图17、图18和图20示出了输出像素由红色(r)、绿色(g)和蓝色(b)这三种颜色构成的示例，并且图19和21示出了输出像素由红色(r)和透明(c)这两种颜色构成的示例。

在图17的基本图案中，根据拜耳阵列布置有大像素r1、大像素g1a、大像素g1b和大像素b1的大像素组、根据拜耳阵列布置有中像素r2、中像素g2a、中像素g2b和中像素b2的中像素组以根据拜耳阵列布置有小像素r3、小像素g3a、小像素g3b和小像素b3的小像素组并排布置。注意，例如，大像素组、中像素组和小像素组可以彼此上下布置。

在图18的基本图案中，包括小像素r3、小像素g3a、小像素g3b和小像素b3的小像素组根据拜耳阵列布置。另外，包括中像素r2、中像素g2a、中像素g2b和中像素b2的中像素组根据拜耳阵列布置成环绕小像素组的外围。此外，包括大像素r1、大像素g1a、大像素g1b和大像素b1的大像素组根据拜耳阵列布置成环绕中像素组的外围。即，在此图案中，中像素组环绕小像素组的外围，大像素组环绕中像素组的外围，并且大像素组、中像素组和小像素组的颜色阵列相同。

在图19的基本图案中，包括小像素r3、小像素c3a、小像素c3b和小像素c3c的小像素组根据与图6的基本图案类似的颜色阵列布置。此外，包括中像素r2、中像素c2a、中像素c2b和中像素c2c的大像素组根据与小像素组类似的颜色阵列布置成环绕小像素组的外围。此外，包括大像素r1、大像素c1a、大像素c1b和大像素c1c的大像素组根据与中像素组和小像素组类似的颜色阵列布置成环绕中像素组的外围。即，在此基本图案中，中像素组环绕小像素组的外围，大像素组环绕中像素组的外围，并且大像素组、中像素组和小像素组的颜色阵列相同。

在图20的基本图案中，包括小像素r3、小像素g3a、小像素g3b和小像素b3的小像素组根据拜耳阵列布置。另外，包括中像素r2、中像素g2a、中像素g2b和中像素b2的中像素组根据拜耳阵列布置成环绕小像素组的外围。此外，包括大像素r1、大像素g1a、大像素g1b和大像素b1的大像素组根据拜耳阵列布置成环绕中像素组的外围。注意，中像素组的颜色阵列是通过使小像素组的颜色阵列逆时针旋转90度而获得的阵列。大像素组的颜色阵列是通过使中像素组的颜色阵列逆时针旋转90度而获得的阵列。即，在此图案中，中像素组环绕小像素组的外围，大像素组环绕中像素组的外围，并且大像素组、中像素组和小像素组的颜色阵列彼此不同。

注意，图20的基本图案与上述的图2的基本图案类似。

在图21的示例中，包括小像素r3、小像素c3a、小像素c3b和小像素c3c的小像素组以2行×2列的方式布置。具体地，小像素c3a布置在小像素r3的下侧，小像素c3c布置在小像素r3的左侧，并且小像素c3b布置在小像素r3的斜左下侧。此外，包括中像素r2、中像素c2a、中像素c2b和中像素c2c的中像素组布置成环绕小像素组的外围。注意，中像素组的颜色阵列是通过使小像素组的颜色阵列顺时针旋转90度而获得的颜色阵列。此外，包括大像素r1、大像素c1a、大像素c1b和大像素c1c的大像素组布置成环绕中像素组的外围。注意，大像素组的颜色阵列是通过使中像素组的颜色阵列旋转180度而获得的颜色阵列。即，在此基本图案中，中像素组环绕小像素组的外围，大像素组环绕着中像素组的外围，并且大像素组、中像素组和小像素组的颜色阵列彼此不同。

{合成像素信号的方法的示例}

下面，将参照图22至25说明信号处理单元17中的用于合成基本图案像素组gp的颜色的像素信号的方法的示例。这里，像素信号的合成是通过根据入射光量切换或者相加基本图案像素组的同颜色像素组中的具有不同尺寸的输出像素的像素信号来扩大扩大动态范围的处理。

首先，将参照图22和图23说明用于合成相同颜色的大像素和小像素的两种像素信号的方法的示例。

图22是示意地示出了从列处理单元13输出的像素信号的特征的曲线图。横轴代表入射光量，并且纵轴代表信号值。注意，纵轴上的信号值表示在列处理单元13利用8位阶调(256个阶调)来量化模拟像素信号的情况下的示例。此外，特征曲线l表示大像素的像素信号的特征，并且特征曲线s表示小像素的像素信号的特征。注意，在下文中，特征曲线l的斜率为l，且特征曲线s的斜率为s。

与小像素相比，大像素由于较大的光接收面积而在具有较小的饱和光量的同时具有较高的灵敏度。在另一方面，与大像素相比，小像素由于较小的光接收面积而在具有较大的饱和光量的同时具有较低的灵敏度。于是，大像素能够检测的光量(即，大像素的动态范围)是从光量0到光量p1的范围。另一方面，小像素能够检测的光量(即，小像素的动态范围)是从光量0到光量p3的范围。

这里，信号处理单元17在从光量0到光量p1的范围内选择大像素的像素信号，并且输出所选择的像素信号。另一方面，信号处理单元17在从光量p1到光量p3的范围内选择小像素的像素信号，并且输出通过使所选择的信号乘以预定系数而获得的信号。该系数设置为例如l/s，l/s大致等于大像素的尺寸(光接收面积)和小像素的尺寸的比率。

由此，与只使用大像素的情况相比，动态范围扩大至从光量0到光量p3的范围。此外，对于被摄体的黑暗部分(低照度被摄体)，通过使用具有相对大的光接收面积的大像素的像素信号提高了灵敏度。另一方面，对于被摄体的明亮部分(高照度被摄体)，通过使用具有相对小的光接收面积的小像素的像素信号可以防止由光电二极管101的饱和引起的白色条纹的出现。

图23是示意地示出了在参照图22执行上述的合成处理的情况下从信号处理单元17输出的像素信号(在下文中称为合成信号)的特征的曲线图。横轴代表入射光量，并且纵轴代表信号值。

这里，合成信号的特征在进行像素信号的切换时的入射光量p1附近发生变化。例如，曲线可能在入射光量之前以及之后不连续或者曲线的斜率可能在入射光量p1之前以及之后发生变化。由于该特征的变化，存在着发生如下现象的可能性：颜色或者亮度在入射光量p1附近在空间方向和时间方向上不自然地变化。此外，该特征随着大像素的特征曲线l和小像素的特征曲线s之间的差异(例如，特征曲线l的斜率和特征曲线s的斜率之间的差异)变大而变大。

下面，将参照图24和25说明用于合成相同颜色的大像素、中像素和小像素的三种像素信号的方法的示例。

与图22相似，图24是示意地示出了从列处理单元13中输出的像素信号的特征的曲线图。特征曲线l和特征曲线s与图22中的特征曲线l和特征曲线s相同，并且特征曲线m表示中像素的像素信号的特征。注意，在下文中，特征曲线的斜率m为m。

与小像素相比，中像素由于较大的光接收面积而在具有较小的饱和光量的同时具有较高的灵敏度。与大像素相比，中像素由于较小的光接收面积而在具有较大的饱和光量的同时具有较高的灵敏度。由此，中像素的动态范围是从光量0到光量p2的范围。

在此，信号处理单元17在从光量0到光量p1的范围内选择大像素的像素信号，并且输出所选择的像素信号。另一方面，信号处理单元17在从光量p1到光量p2的范围内选择中像素的像素信号，并且输出通过使所选择的信号乘以预定系数而获得的信号。该系数设置为例如l/m，l/m大致等于大像素的尺寸(光接收面积)和中像素的尺寸的比率。此外，信号处理单元17在从光量p2到光量p3的范围内选择小像素的像素信号，并且输出通过使所选择的信号乘以预定系数而获得的信号。该系数设置为例如l/s，l/s大致等于大像素的尺寸(光接收面积)和小像素的尺寸的比率。以这种方式，使具有另外尺寸以及后续的尺寸的输出像素(中像素和小像素)的像素信号乘以预定系数。

由此，与只使用大像素的情况相比，动态范围扩大为从光量0至光量p3的范围。此外，针对被摄体的黑暗部分(低照度被摄体)通过使用具有相对大的光接收面积的像素信号提高了灵敏度。另一方面，针对被摄体的明亮部分(高照度被摄体)，通过使用具有相对小的光接收面积的小像素的像素信号可以防止由光电二极管101的饱和引起的白色条纹的发生。

图25是示意地示出了在参照图24执行上述合成过程的情况下从信号处理单元17输出的合成信号的特征的曲线图。横轴代表入射光量，并且纵轴代表信号值。

在此，合成信号的特征在发生像素信号的切换时的入射光量p1和p2附近发生变化。由于所述特征的变化，存在着发生如下现象的可能性：颜色或者亮度在入射光量p1和p2附近在空间方向和时间方向上不自然地变化。

另一方面，大像素的特征曲线l和中像素的特征曲线m之间的差异以及中像素的特征曲线m和小像素的特征曲线s的之间的差异小于大像素的特征曲线l和小像素的特征曲线s之间的差异。因此，合成信号的在图25中的入射光量p1和p2附近的特征变化小于合成信号的在图23中的入射光量p1附近的特征变化。与合成两种像素信号的情况相比，利用这种特征减少了颜色和亮度在入射光量p1和p2附近在空间方向和时间方向上不自然地变化的现象的出现。由此，抑制了基于从信号处理单元17输出的图像数据的图像的图像质量的劣化。注意，即使不是所有的颜色的输出像素的尺寸为三种以上，在至少一种颜色的输出像素的尺寸为三种以上的情况下仍可以获得这种效果。

此外，如同图2、7至11、14至16、20以及21的基本图案，在具有不同尺寸的输出像素之间使用不同的颜色阵列时，被检测颜色信息的区域可被分散。例如，在图2的示例中，用于检测红色、绿色和蓝色的颜色信息的输出像素的布置是分散的。利用这种构造，在上述的合成处理以及利用外围像素的颜色信息的插值处理中可以抑制伪色的发生。由此，抑制了基于从信号处理单元17输出的图像数据的图像的图像质量的劣化。注意，即使不是所有颜色的输出像素的布置是分散的，在至少一种颜色的输出像素的布置是分散的情况下仍可以获得这种效果。

<2.变形例>

在下文中将说明本发明的上述实施例的变形例。

{基本图案的变形例}

上述的基本图案为示例，并且可以使用其他图案。

例如，输出像素尺寸的种类的数量在不同颜色之间可以不同。

此外，例如，一种或者多种颜色的输出像素的尺寸可以设置为四种以上。

此外，一部分输出像素的尺寸可以设置为一种。

此外，颜色的种类和数量可以变化。例如，可以使用r、g、b、w(白色)的组合或者诸如青色(c)、品红(m)以及黄色(y)等颜色的组合。

{合成处理的变形例}

在上述的像素信号合成处理中，根据入射光量来切换所使用的像素信号。然而，例如，可以相加或者输出多个像素信号。

例如，在从图24中的入射光量pa到入射光量p1的范围内，选择大像素的像素信号和中像素的像素信号，并且可以以预定比率使所选择的两个像素信号相加并将其输出。此外，例如，在从入射光量pb至入射光量p2的范围内，选择中像素的像素信号和小像素的像素信号，并且可以以预定的比率使所选择的两个像素信号相加并将其输出。

{其他的变形例}

在图1中示出了如下示例：为每个基本图案列设置垂直信号线19。然而，实施例不限于该示例，这取决于基本图案像素组gp的构造。例如，为基本图案列设置多条垂直信号线19。

此外，在上述实施例中，说明了如下示例：本发明应用于具有以矩阵的方式布置的单位像素的cmos摄像元件。但是，本发明的应用不限于cmos摄像元件。即，本发明可以应用于所有的具有不同尺寸的像素的固态摄像元件以扩大动态范围。

此外，应用本发明的固态摄像元件可以是例如形成为单芯片的形式，或者可以是具有摄像功能的模块形式，在该模块形式中共同地封装有摄像单元和信号处理单元或者光学系统。

<3.固态摄像元件的应用示例>

图26是示出了上述的固态摄像元件的应用示例的示图。

上述的固态摄像元件可以用于各种情况，例如下文所述的用于感测诸如可见光、红外光、紫外光和x射线等光的情况。

-鉴赏用摄像装置，例如数码摄像机和具有摄像机功能的便携式装置

-交通用装置，例如为了诸如自动停车和驾驶员状态识别等安全驾驶而拍摄车辆的前方、后方、外围、内部的车载传感器、监控行驶车辆和道路的监控摄像机以及测量车辆间距离的距离测量传感器

-家用电器用装置，家用电器例如为电视机、冰箱、空调等，这类装置用于拍摄用户的手势并根据手势执行装置操作

-医疗保健用装置，例如内窥镜和通过接收红外光来拍摄血管的装置

-安全用装置，例如用于防止犯罪的监控摄像机和用于个人身份验证的摄像机

-美容用装置，例如用于捕捉皮肤的皮肤测量装置以及捕捉头皮的显微镜

-运动用装置，例如用于运动的运动摄像机和可穿戴式摄像机

-农业用装置，例如用于监控农田和农作物的情况的摄像机

{摄像装置}

图27是示出了摄像装置的构造示例的框图，该摄像装置是应用本发明的电子装置的示例。

如图27所示，摄像装置具有包括透镜组301的光学系统、摄像元件302、作为摄像机信号处理单元的dsp电路303、帧存储器304、显示装置305、记录装置306、操作系统307、电源系统308等。dsp电路303、帧存储器304、显示装置305、记录装置306、操作系统307和电源系统308通过总线309互相连接。

透镜组301从被摄体接收入射光(图像光)并且在摄像元件302的成像表面上形成图像。摄像元件302以像素为单位将通过透镜组301成像在摄像表面上的入射光的转换成电信号，并且将该电信号作为像素信号输出。

显示装置305包括诸如液晶显示装置或者有机电致发光(el)显示装置等面板型显示装置，并且显示由摄像元件302成像的移动图像或者静止图像。记录装置306将由摄像元件302成像的运动图像或者静止图像记录在例如储存卡、录像带或者通用数字光盘(dvd)等记录媒介上。

操作系统307在用户的操作下发出关于摄像装置所处理的各种功能的操作指令。电源系统308适当地将用于充当dsp电路303、帧存储器304、显示装置305、记录装置306以及操作系统307的操作电源的各种电源提供至这些提供对象。

这种摄像装置应用于移动装置的摄像机模块，例如摄影机、数字静态摄像机、智能手机或者手机。另外，在摄像装置中，例如，固态摄像元件10可用作摄像元件302。通过该构造可以扩大摄像装置的动态范围，并且提高图像质量。

注意，本发明的实施例不限于上述的实施例，并且在不脱离本发明主旨的情况下可以做出各种变形例。

此外，例如，本发明可以具有如下的构造。

(1)一种固态摄像元件，其包括：

像素单元，在所述像素单元中布置有基本图案像素组，每个所述基本图案像素组具有根据预定图案布置的多种颜色的输出像素，所述输出像素是基于像素信号的输出单位的像素，所述输出像素之中的至少一种颜色的输出像素具有三种以上的尺寸；和

信号处理单元，所述信号处理单元用于对来自具有相同颜色和不同尺寸的多个所述输出像素的多个像素信号执行合成处理。

(2)根据(1)的所述固态摄像元件，其中

每种颜色的所述输出像素分别具有两种以上的尺寸，并且

在所述图案中，由多个第一输出像素构成的第一像素组的颜色阵列和由多个第二输出像素构成的第二像素组的颜色阵列不同，所述第二输出像素与所述第一输出像素具有不同的尺寸。

(3)根据(2)的所述固态摄像元件，其中

所述第一像素组环绕所述第二像素组的外围。

(4)根据(2)的所述固态摄像元件，其中

至少一个所述第一输出像素环绕一个所述第二输出像素的外围。

(5)根据(1)的所述固态摄像元件，其中

每种颜色的所述输出像素分别具有三种以上的尺寸，并且

在所述图案中，由多个第一输出像素构成的第一像素组环绕由多个第二输出像素构成的第二像素组的外围，所述第二输出像素与所述第一输出像素具有不同的尺寸，并且所述第二像素组环绕由多个第三输出像素构成的第三像素组的外围，所述第三输出像素与所述第二输出像素具有不同的尺寸。

(6)根据(1)至(5)中的任一项的固态摄像元件，其中

每个所述输出像素由一个以上的单位像素构成，所述单位像素分别包括具有相同尺寸的光接收元件。

(7)根据(6)的所述固态摄像元件，其中

最小的所述输出像素由一个所述单位像素构成，并且具有其他尺寸的像素由多个所述单位像素构成。

(8)根据(6)至(7)中的任一项的固态摄像元件，其中

每个所述输出像素通过所述单位像素与布线的组合形成。

(9)根据(1)至(8)中的任一项的固态摄像元件，其中

在所述信号处理单元合成来自具有相同颜色和三种以上的尺寸的多个所述输出像素的多个像素信号的情况下，所述信号处理单元根据入射光量选择所述多个像素信号中的一个像素信号并输出所选择的像素信号，并且所述信号处理单元使具有另外尺寸和后续尺寸的所述输出像素的像素信号与预定系数相乘并输出相乘后的像素信号。

(10)根据(1)至(8)中的任一项的固态摄像元件，其中

在所述信号处理单元合成来自具有相同颜色和三种以上的尺寸的多个所述输出像素的多个像素信号的情况下，所述信号处理单元根据入射光量选择所述多个像素信号中的两个像素信号并输出通过以预定比率合成所选择的像素信号而获得的信号。

(11)一种电子装置，其包括：

固态摄像元件；和

第一信号处理单元，所述第一信号处理单元用于处理从所述固态摄像元件输出的信号，

所述固态摄像元件包括：

像素单元，在所述像素单元中布置有基本图案像素组，每个所述基本图案像素组具有根据预定图案布置的多种颜色的输出像素，所述输出像素是基于像素信号的输出单位的像素，所述输出像素之中的至少一种颜色的输出像素具有三种以上的尺寸；以及

第二信号处理单元，所述第二信号处理单元用于对来自具有相同颜色和不同尺寸的多个所述输出像素的多个像素信号执行合成处理。

(12)一种固态摄像元件，其包括：

像素单元，在所述像素单元中布置有基本图案像素组，每个所述基本图案像素组具有根据预定图案布置的多种颜色的输出像素，所述输出像素是基于像素信号的输出单位的像素，所述输出像素针对每种颜色具有两种以上的尺寸，并且在所述图案中，由多个第一输出像素构成的第一像素组的颜色阵列和由多个第二输出像素构成的第二像素组的颜色阵列不同，所述第二输出像素与所述第一输出像素具有不同的尺寸；和

信号处理单元，所述信号处理单元用于对来自具有相同颜色和不同尺寸的多个所述输出像素的多个像素信号执行合成处理。

(13)根据(12)的所述固态摄像元件，其中

所述第一像素组环绕所述第二像素组的外围。

(14)根据(12)的所述固态摄像元件，其中

至少一个所述第一输出像素环绕一个所述第二输出像素的外围。

(15)根据(12)至(14)中的任一项的固态摄像元件，其中

每个所述输出像素由一个以上的单位像素构成，所述单位像素分别包括具有相同尺寸的光接收元件。

(16)根据(15)的所述固态摄像元件，其中

最小的所述输出像素由一个所述单位像素构成，并且具有其它尺寸的像素由多个所述单位像素构成。

(17)根据(15)的所述固态摄像元件，其中

每个所述输出像素通过所述单位像素与布线的组合形成。

(18)一种电子装置，其包括：

固态摄像元件；和

第一信号处理单元，所述第一信号处理单元用于处理从所述固态摄像元件输出的信号，

所述固态摄像元件包括：

像素单元，在所述像素单元中布置有基本图案像素组，每个所述基本图案像素组具有根据预定图案布置的多种颜色的输出像素，所述输出像素是基于像素信号的输出单位的像素，所述输出像素针对每种颜色具有两种以上的尺寸，并且在所述图案中，由多个第一输出像素构成的第一像素组的颜色阵列和由多个第二输出像素构成的第二像素组的颜色阵列不同，所述第二输出像素与所述第一输出像素具有不同的尺寸；和

第二信号处理单元，所述第二信号处理单元用于对来自具有相同颜色和不同尺寸的多个所述输出像素的多个像素信号执行合成处理。

附图标记列表

10固态摄像元件11像素单元

13列处理单元17信号处理单元

18-1至18-m像素驱动线19-1至19-n垂直信号线

100同颜色像素组101-1至101-3光电二极管

102-1至102-3传输晶体管103复位晶体管

104浮动扩散部105放大晶体管

106选择晶体管

gp(1,1)至gp(m,n)基本图案像素组

r1至r3、g1a至g3a、g1b至g3b及b1至b3输出像素