JP2003264842A

JP2003264842A - フィルタ及び調光板及び固体撮像素子

Info

Publication number: JP2003264842A
Application number: JP2002063403A
Authority: JP
Inventors: Kazuhiko Nakamura; 和彦中村
Original assignee: Hitachi Kokusai Electric Inc
Current assignee: Hitachi Kokusai Electric Inc
Priority date: 2002-03-08
Filing date: 2002-03-08
Publication date: 2003-09-19

Abstract

(57)【要約】【課題】【解決手段】レンズ絞り近くに赤を減衰する銅の錯体イ
オンを分散させた合成樹脂を光軸付近に厚く次第に薄く
し、周辺は透明な合成樹脂とし、自動絞りが開く前に利
得を高くして、高感度時は赤と緑の入射光を透過し低感
度時のみ赤と緑の入射光を減衰する。絞りで変化する固
体撮像素子の入射光の色温度に反比例するように絞りに
連動して利得を可変する。または、レンズ絞りが開くと
同時に、出力映像信号をモノクロにし、レンズ後の赤外
線除去フィルタを省略する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、カラー撮像装置の
感度とダイナミックレンジとの改良に関するものであ
る。

【０００２】

【従来の技術】シリコン基板に形成された固体撮像素子
は、赤外線に最も感度が高く、赤、緑、青の色帯域の順
に分光感度が下がることが、従来から広く知られてい
る。また近年、オンチップレンズと層内レンズとタング
ステン遮光膜とを採用することにより、スメアを少なく
することができるようになってきた。このため、赤スメ
アを防ぐため、赤色帯域の分光感度（赤感度）を低減す
る必要がなくなったため、赤感度の低減を特に実施して
いない。その上更に、感度を向上させるために、固体撮
像素子に光電変換を行うためのフォトダイオードを製造
する工程でフォトダイオード層の拡散深さを大きくする
と、赤感度が高くなる。従って、高イオン打ち込み技術
が進歩して固体撮像素子の飽和レベルが向上し、かつ、
均一化したとしても、赤感度が高くなる効果のほうが大
きく、赤スメアを防ぐ迄には至らない。

【０００３】次に、オンチップカラーフィルタ付き固体
撮像素子を用いたカラーカメラ等のカラー撮像装置で
は、画素単位で増幅度を可変できる増幅器によって A/D
変換の有効ビット数を 2 〜 3 ビット増加することに
より、色分解光学系と３つの固体撮像素子とを用いるカ
ラー撮像装置の A/D 変換の有効ビット数と近似させる
ようにしていた。固体撮像素子としては、例えば、CCD
を使用する。

【０００４】一方、色分解光学系と３つの固体撮像素子
とを用いるカラー撮像装置では、色再現性を重視するた
め、赤、緑、青の各色帯域内で分光感度を分光視感度と
近似させるため、最近では、青色帯域を通過、緑色帯域
を約 0.5 に減衰し、赤色帯域色帯域を約 0.25 に減衰
し赤外線を除去する光学フィルタ（以下、G,R,IR cutフ
ィルタと称する）と、赤、緑、青の各色帯域を通過する
色フィルタとを組合せて使用することが多い。しかし、
このように色再現性を重視すると、感度が低下する。

【０００５】図５(a) は、従来の CIE 標準光源 A（ 28
56K ）に対する CCD の分光感度曲線αと、色分解光学
系の赤、緑、青それぞれの色帯域の分光透過率曲線
（赤：βr、緑：βg、青：βb ）を示す図である。図５
(b) は、赤外線除去フィルタ（G,R,IR cut フィルタ）
分光透過率曲線を示すと共に、図５(a) の分光感度曲線
αと分光透過率曲線βr、βg、βb それぞれとの積であ
る、CIE 標準光源 A（ 2856K ）に対する各色帯域の固
体撮像素子の分光出力曲線（δr、δg、δb ）を示す。
図５(b) の分光出力曲線の破線の面積のように、CIE 標
準光源 A（ 2856K ）に対する各色帯域の出力比は、お
およそ、赤 1 、緑 1 、青 0.45 となる。

【０００６】また、色分解光学系と３つの固体撮像素子
を用いるカラー撮像装置で、用途に応じてカット波長の
異なる G,R,IR cut フィルタに入れ替えることが実施さ
れていた。従来のオンチップフィルタ付き固体撮像素子
を用いたカラー撮像装置では、感度優先して、赤の色帯
域を少し弱める赤外カットフィルタ（以下、IR cut フ
ィルタと称する）を固体撮像素子の前に挿入して撮像し
ていた。そのため、基準白色光に対するオンチップフィ
ルタ付き固体撮像素子の各画素出力は、赤の色帯域が高
く、青の色帯域が低い。その画素出力の差は、高感度 C
CD では、約 12 dB 以上異なる。そのため、カラー撮像
時の S/N 比改善のため、画素単位で増幅度を可変して
基準白色光に対する各画素の A/D 変換回路入力信号レ
ベルを等しくしていた。

【０００７】また、低感度時は、IR cut フィルタを固
体撮像素子の前に挿入してカラー撮像し、高感度時は、
IR cutフィルタを固体撮像素子の前から排除して白黒撮
像することが実施されていた。またその他、銅の錯体イ
オン等の赤外線を除去し、赤を減衰する粒子を分散させ
た合成樹脂に凹凸を付けて、光学低域通過フィルタ（以
下、OLPF とも称する）と G,R,IR cut フィルタを兼用
することも実施されていた。更にまた、レンズにフィル
タ切替機構を追加することも実施されていた。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】前述の従来技術におい
て、フォトダイオードを用いた高感度の固体撮像画素子
では、赤の色帯域の感度が高く、青の色帯域の感度が低
い。もし、感度優先して撮像するために、赤の色帯域の
感度を少し弱めるための赤外カットフィルタを使用する
と、CIE 標準光源 A（ 2856K ）に対する各色帯域での
固体撮像素子の出力は、赤が約 12 dB 早く飽和してし
まい、ダイナミックレンジが約 2 ビット低下してしま
う欠点があった。また、色再現性とダイナミックレンジ
とを優先して、赤と緑の色帯域の感度を弱めるために、
赤外カットフィルタを使用すると、CIE 標準光源 A（ 2
856K ）に対する緑の色帯域での固体撮像素子の出力
が、約 6 dB 低下してしまう欠点があった。

【０００９】更にまた、中心の可視光減衰等レンズ絞り
位置に、ゼラチンやアセテート等の柔らかいフィルタを
挿入する方法では、柔らかいフィルタに凹凸が生ずるこ
とにより、望遠端開放時に収差が増大し、解像度劣化す
る欠点があった。また、単板カメラの撮像素子前の赤外
線除去フィルタをはずすと、撮像素子前の屈折率が変化
し、望遠端開放時に収差が増大し解像度劣化する。この
ため、フィルタ傾き防止対策に、フィルタの高精度ガイ
ドが必要であり、従来の回転フィルタ板等の複数フィル
タ高精度切替機構では大型化し、単板カメラの小形の長
所が失われてしまう欠点があった。また簡単な切替機構
であっても、撮像素子のペルチェ冷却機構が収納する余
裕がなくなり、ペルチェ冷却機構が無いと暗電流が抑圧
できず、高利得が制限される欠点があった。更にまた、
レンズにフィルタ切替機構を追加すると、焦点距離の
（２倍）切替機構が収納できなくなり、レンズの望遠端
焦点距離が実効的に半減してしまう欠点があった。本発
明の目的は、上記のような欠点を除去し、高感度ではあ
るがダイナミックレンジの余裕のない安価な固体撮像素
子を用い、広いダイナミックレンジと高感度の両立を実
現し、安価で、低消費電力で、小型な、広いダイナミッ
クレンジの撮像装置を提供することにある。

【００１０】

【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
めに、本発明の撮像装置は、オンチップカラーフィルタ
付き固体撮像素子と画素単位で利得を可変できる増幅器
または、色分解光学系と複数の固体撮像素子と可変でき
る増幅器と赤外線除去フィルタと雑音低減回路（と 10
bit 以上の A/D 変換回路）とを有するカラー固体撮像
装置において、銅の錯体イオン等の赤外線を除去し赤を
減衰する粒子と炭素または白金等の可視光を減衰する粒
子の少なくとも一方を分散させた合成樹脂を光軸付近に
厚く、次第に薄くし、周辺は透明な合成樹脂として、合
成樹脂全体では均一の厚さの平面の板を置く等により、
レンズ絞り近くの光軸付近に赤外線除去または赤減衰ま
たは可視光減衰フィルタの少なくとも一方を挿入し、回
折が激しくなるレンズ絞り値（約 F22 ）より暗くなら
ないよう、クローズリミタをかけ、絞りが開き赤を減衰
する粒子が薄い平面の板部分を光束が通過する前に利得
を高くする、または、レンズ（収差が大きくなる）絞り
が開ききる前に最大利得にする、または、自動調光板
で、銅の錯体イオン等の赤外線を除去し赤を減衰する粒
子と炭素または白金等の可視光を減衰する粒子を分散さ
せた合成樹脂を可視光減衰側に厚く、次第に薄くし、可
視光透過側は透明な合成樹脂として、合成樹脂全体では
平面の板にする等により、赤外線除去または赤減衰の少
なくとも一方かつ可視光減衰のフィルタを追加し、自動
調光の透過率が高くなる前に利得を高くすることと、絞
りや自動調光で変化する固体撮像素子の入射光の色温度
に反比例するように絞りや自動調光に連動して利得を可
変することと、周辺は透明な合成樹脂までレンズ絞りが
開くと同時に、出力映像信号をモノクロにし、レンズ後
の赤外線除去フィルタを省略することと、撮像素子のペ
ルチェ冷却を行うことと、レンズの焦点距離の（２倍）
切替を行うことと、利得を高くするレンズ絞り値を回折
で光学高周波応答劣化するレンズ絞り値にして、利得が
高くなりレンズ絞りが開くと同時に、出力映像信号をモ
ノクロにし、レンズ後のカラー撮像用光学低域通過フィ
ルタを省略することとの少なくとも一方を特徴とする固
体撮像装置である。

【００１１】また、本発明の固体撮像装置は、レンズ絞
り近くのフィルタを、光軸付近を赤外線を除去し赤を減
衰する粒子と可視光を減衰する粒子を分散させ、直径倍
以上の次の同心円状に赤外線を除去し赤を減衰する粒子
とを分散させ、次の同心円の直径倍以上の２番目の同心
円状に透明な合成樹脂で、粒子分散の境は断面を斜めに
することを特徴とする固体撮像装置である。

【００１２】また、本発明の固体撮像素子は、光学低域
通過フィルタを兼ねた赤外線除去フィルタと概フィルタ
切替機構とオンチップカラーフィルタ付き固体撮像素子
と雑音低減回路と画素単位で利得を可変できる増幅器と
10 bit 以上のＡ／Ｄ変換回路とを有するカラー固体撮
像装置において、銅の錯体イオン等の赤外線を除去し赤
を減衰する粒子を分散させた合成樹脂をフィルタの一方
に厚く他方は薄く、残りの厚さは透明な合成樹脂とし
て、合成樹脂全体では均一な厚さの平面の板とする等に
より、フィルタの一方が赤外線と赤の透過率が低く、他
方が赤外線と赤の透過率が高くすること、透過率が高い
フィルタを選択する前に利得を高くすること、フィルタ
で変化する固体撮像素子の入射光の色温度に反比例する
ように画素単位で利得を可変することと、光学低域通過
フィルタとなるフィルタ表面凹凸を透明フィルタは撮像
素子画素ピッチの（細かい）白黒用とし、赤外線を除去
し赤を減衰する粒子を分散させたフィルタはオンチップ
カラーフィルタのカラーピッチの（粗い）単板カラー用
とし、透明フィルタを選択する際に出力信号を白黒とす
ることと、Ｃマウントを用いペルチェ冷却等の固体撮像
素子の冷却を行うこととの少なくとも一方を特徴とす
る。

【００１３】また、本発明の固体撮像素子は、回転フィ
ルタ切替機構と固体撮像素子と利得を可変できる増幅器
とを有し、出力映像レベルが一定になるように利得を自
動可変するカラー固体撮像装置において、回転フィルタ
の一部が銅の錯体イオン等の赤外線を除去し赤を減衰す
る粒子と炭素粒子または白金等の可視光を減衰する粒子
の少なくとも一方を分散させた合成樹脂フィルタ、他方
が透明な合成樹脂フィルタ、中間は赤外線を除去し赤を
減衰する粒子と可視光を減衰する粒子の少なくとも一方
を分散させた合成樹脂を薄く残りの厚さは透明な合成樹
脂として、合成樹脂全体では均一な厚さの平面の板を置
く等により、一方が赤外線を除去し赤または可視光の透
過率が低下し他方が透明で、中間は透過率が暫時低減す
るフィルタとし、色温度が低く光量が標準付近及び多い
時は可視光減衰の回転フィルタを選択し、標準光や色温
度の高く光量が多い時は可視光減衰で特に赤の透過率が
低い回転フィルタを選択し、標準光や色温度の高く光量
が標準付近時は赤の透過率が低い回転フィルタを選択
し、入射光量が低下すると（レンズ絞りを開き、レンズ
絞り開放付近になると）利得を高くし、高利得になる
と、赤の透過率が高い回転フィルタを選択し、回転フィ
ルタで変化する固体撮像素子の入射光の色温度に反比例
するように利得を可変する、ことの少なくとも一方を特
徴とする。

【００１４】また、本発明の固体撮像素子は、赤外線除
去フィルタとオンチップカラーフィルタ付き固体撮像素
子と雑音低減回路と画素単位で利得を可変できる増幅器
とを有するカラー固体撮像装置または、赤外線除去フィ
ルタと色分解光学系と複数の固体撮像素子と雑音低減回
路と利得を可変できる増幅器とを有するカラー固体撮像
装置において、利得可変と連動した、G,Mg,Cy,Ye,Y ま
たは B,G,R の順の白圧縮（によるハイライト色確保：
色広ダイナミックレンジ化）することと、固体撮像素子
内の読出し増幅器の雑音を低減するまたは、CCD 電源電
圧と同等の高い電源電圧を供給した低雑音演算増幅器を
雑音低減回路前に用いる等で雑音低減して、12 bit 以
上の A/D を用いること、との少なくとも一方を特徴と
する。

【００１５】また、本発明の固体撮像素子は、固体撮像
素子基板電圧変調（によるフォトダイオードの白圧縮の
画面内均一化：輝度広ダイナミックレンジ化）すること
と、高感度撮影時は、雑音低減回路または、サンプルホ
ールド回路やラインメモリと信号処理回路等で画素を加
算する等により垂直および水平方向の青の信号帯域を減
衰させることの少なくとも一方を特徴とする固体撮像装
置である。

【００１６】

【発明の実施の形態】図３によって、本発明の一実施例
の IR CUT フィルタを説明する。図３は、本発明の一実
施例の IR CUT フィルタの構造を説明する図である。図
３において、図面の左側は IR CUT フィルタ 201 を側
面（イ−ロ）から見た断面図で、右側は IR CUT フィル
タ 201 の正面図である。光軸 200 は、正面図の中心点
300 を紙面の上から下に抜けるように通過する。光軸
200 付近、即ち、レンズ絞り付近の領域 202 は、銅の
錯体イオン等からなる赤外線を除去し赤の色帯域を減衰
する粒子と、炭素粒子または白金等からなる可視光を減
衰する粒子とを分散させた合成樹脂を多く混入させて構
成している。また、IR CUT フィルタ 201 の外延の領域
204 は、それらの粒子を混入させていない透明な合成
樹脂の領域である。そして、領域 202 の外側と外延の
領域204 の間の領域 203 は、銅の錯体イオン等からな
る赤外線を除去し赤の色帯域を減衰する粒子と、炭素粒
子または白金等からなる可視光を減衰する粒子とを分散
させた合成樹脂を、領域 202 より少なめな（例えば、
半分の）量を混入させて構成している。このとき、領域
202 と領域 203 の境界 205 、及び、領域 203 と領域
204の境界 206 はそれぞれ、断面図に示すように、光
軸 200 に平行にではなく、入射光側と固体撮像素子側
とでそれぞれの領域の大きさが異なるようにしている。
しかし、光軸 200 と平行であっても良い。図３の実施
例では、断面図で分かるように、領域 202 は、入射光
側の領域の面積より固体撮像素子側の領域の面積が大き
く、境界 205 は光軸 200 に対してテーパ構造になって
いる。そして、境界 206 は、境界 205 と平行になるよ
うな構造となっている。もちろん、境界は、断面図では
直線状に描いているが、曲線でも良いし、また、境界 2
05 と 206 とで異なる形状になっていても良い。更にま
た、領域の数は任意に設定できる。

【００１７】光軸付近に厚く、次第に薄くし、周辺は透
明な合成樹脂として、合成樹脂全体では平面の板を置
き、回折が激しくなるレンズ絞り値（約 F22 ）より暗
くならないよう、クローズリミタをかけ、絞りが開き、
赤の色帯域を減衰する粒子が薄い平面の板部分を光束が
通過する前に利得を高くする、または、レンズ（収差が
大きくなる）絞りが開ききる前に最大利得にする。

【００１８】即ち、図３において、レンズ絞り（光軸 2
00 ）付近から合成樹脂フィルタの縁までを領域 202 、
203 、204 に分けている。領域 202 、203 、204 は、
それぞれ、通常フィルタとして使用される透明な合成樹
脂中に、赤外線を除去し赤の色帯域を減衰する性質のあ
る銅の錯体イオン等の粒子と、可視光を減衰する性質の
ある炭素粒子または白金等の粒子とを分散させた合成樹
脂で構成されている。それらの銅の錯体イオン等の粒子
と炭素粒子または白金等の粒子の濃度は、レンズ絞り付
近の領域 202 で最も濃度は高く、領域 203 では領域 2
02 より濃度が低く、領域 204 では、濃度がほぼゼロに
なるように構成する。これによって、光軸 200 付近で
最も濃度が高く厚く、次第に濃度を下げ、周辺は透明な
合成樹脂として、合成樹脂全体では平面の板を置き、回
折が激しくなるレンズ絞り値（約 F22 ）より暗くなら
ないよう、クローズリミタをかけ、絞りが開き赤の色帯
域を減衰する粒子の濃度が低い領域部分を光束が通過す
る前に利得を高くする、または、レンズ（収差が大きく
なる）絞りが開ききる前に最大利得にする。

【００１９】また図６は、本発明の一実施例の顕微鏡用
自動調光板を示す図であり、銅の錯体イオン等の赤外線
を除去し赤の色帯域を減衰する粒子と炭素粒子または白
金等の可視光を減衰する粒子を分散させた合成樹脂を可
視光減衰側（境界 61 の反時計回り方向側）に濃度が高
く、反時計回りに次第に濃度を低くし、可視光透過側
（境界 61 の時計回り方向側）は透明な合成樹脂とし
て、合成樹脂全体では平面の板にする等により、自動調
光の赤の色帯域の減衰が減る前に利得を高くする。レン
ズ絞りが開くと同時に、出力映像信号をモノクロにし、
レンズ後の赤外線除去フィルタを省略する。更に、雑音
低減回路または、サンプルホールド回路等で画素を加算
する。

【００２０】図７は、本発明の一実施例の扇状の調光板
を示す図であり、一方の扇の端部 70 から他方の扇の端
部 71 まで、徐々に銅の錯体イオン等の赤外線を除去し
赤の色帯域を減衰する粒子と炭素粒子または白金等の可
視光を減衰する粒子を分散させた合成樹脂を可視光減衰
側に濃度を減少させていったものである。また、利得を
高くするレンズ絞り値を回折で光学高周波応答（解像
度）劣化するレンズ絞り値にして、利得が限界まで高く
なり、レンズ絞りが開くと同時に、出力映像信号をモノ
クロにし、固体撮像素子の入力光からカラー撮像の不要
高周波偽信号と赤外線を除去して、レンズ後のカラー撮
像用光学低域通過フィルタを省略する。レンズ絞りの回
折は光学低域通過フィルタと異なり、nul 点がないの
で、解像度維持と偽信号除去が不完全だが、夜間優先の
２４時間監視には十分実用になる。また、絞り値や自動
調光で変化する固体撮像素子の入射光の色温度を絞り値
や自動調光に連動して利得を可変して補正するか、基準
白の RGB レベルを一定にする。

【００２１】合成樹脂フィルタは、成型金型を高精度と
し、重合等を均質化することで、光学的な高精度平面板
となる。光軸付近では赤外線を除去し赤の色帯域を減衰
する粒子と可視光を減衰する粒子を分散させ、次の同心
円状に赤外線を除去し赤を減衰する粒子とを分散させ、
２番目同心円状に赤外線を除去する粒子を分散させ、周
辺は透明な合成樹脂で、粒子分散の境は断面を斜めにし
ても良い。

【００２２】また、図６に示すように、赤外線除去フィ
ルタと全透過フィルタを同一樹脂で一枚板に一体成型
し、回転移動させれば、切替え機構が小型のまま、撮像
素子前の屈折率やフィルタ傾きが変化しないので、収差
増大も望遠端開放時に解像度劣化もしない。即ち、回転
フィルタ切替遠隔制御機構と赤外線除去フィルタと固体
撮像素子と（画素単位で）利得を可変できる増幅器とを
有し、出力映像レベルが一定になるように利得を自動可
変し、回転フィルタに赤の色帯域の透過率が低下するフ
ィルタ（ R,IR CUT フィルタ 61 ）を追加したカラー固
体撮像装置において、色温度が低く光量が標準付近及び
多い時は可視光減衰の P,IR CUT フィルタ 62 を選択
し、標準光や色温度の高く光量が多い時は可視光減衰で
特に赤の透過率が低い R,IR CUT フィルタ 61 を選択
し、標準光や色温度の高く光量が標準付近時は赤の色帯
域の透過率が低い P,IR CUT フィルタ 62 を選択し、入
射光量が低下するとレンズ絞りを開き、レンズ絞り開放
付近になると利得を高くし、高利得になると、赤の色帯
域の透過率が高い全面透過回転フィルタ 63 を選択し、
回転フィルタで変化する固体撮像素子の入射光の色温度
に反比例するように利得を可変する。

【００２３】図６に示したように、回転板に円形のフィ
ルタを固定するより、同一樹脂で一枚板に一体成型し、
銅の錯体イオン等の赤外線を除去し赤の色帯域を減衰す
る粒子と炭素粒子または白金等の可視光を減衰する粒子
を分散させた合成樹脂の厚さを扇型に段階的に替え、透
明な合成樹脂との合計厚さを一定にしたフィルタとすれ
ば、同一半径の回転板により多くの種類の扇型フィルタ
が収納でき、回転フィルタの小型化になる。

【００２４】V sub 変調により、フォトダイオードの白
圧縮の画面内均一化するか、白圧縮が均一な枚葉処理製
造 CCD を用いる。また、利得可変と連動した、G 、Mg
、Cy、Ye 、 Y 、または、B 、G 、R の順の白圧縮す
る。さらに、固体撮像素子内の読出し増幅器の雑音を低
減するまたは、CCD 電源電圧と同等の高い電源電圧を供
給した低雑音演算増幅器を雑音低減回路前の前置増幅器
に用いるか RDS や IDDS 等により、雑音を低減した上
で 12 bit 以上の A/D 変換器を用いる。ラインメモリ
を用いて２次元で（暗部の小振幅信号のみ）画素を加算
平均することにより、青信号帯域を２次元で低減して、
解像感を損ねることなく、目立つ暗部雑音を低減する。

【００２５】または、顕微鏡用自動調光板で、銅の錯体
イオン等の赤外線を除去し赤を減衰する粒子と炭素粒子
または白金等の可視光を減衰する粒子を分散させた合成
樹脂を可視光減衰側に厚く、次第に薄くし、可視光透過
側は透明な合成樹脂として、合成樹脂全体では平面の板
にする等により、自動調光の赤の減衰がへる前に利得を
高くする。レンズ絞りが開くと同時に、出力映像信号を
モノクロにし、レンズ後の赤外線除去フィルタを省略す
る。更に、雑音低減回路または、サンプルホールド回路
等で画素を加算する。

【００２６】以上述べたように、入射光量が多い場合
は、余裕のある感度を減衰しダイナミックレンジと色再
現を改善する。入射光量が少ない場合は、余裕のあるダ
イナミックレンジを減衰し感度を改善する。色再現は感
度改善分劣化する。また、C マウントの小型筐体に、赤
外線除去の切替えと固体撮像素子のペルチェ冷却機構が
収納でき、高価でな赤外線除去の切替え機構付レンズを
使用することなく、暗電流が抑圧でき、高利得や長時間
露光が実現できる。また更に、レンズに焦点距離の（２
倍）切替機構が収納でき、レンズの望遠端焦点距離が実
効的に２倍拡張できる。

【００２７】次に、ダイナミックレンジ改善作用を定量
的に説明する。入射光量が多い場合は、レンズ絞りが絞
られ、色再現重視の赤外線除去し特に赤を減衰し可視光
全体も減衰するフィルタのみに入射光が通過し、入射光
が赤と緑を重点的に減衰し、ダイナミックレンジが、約
2 bit 改善する。利得可変と連動した、G 、Mg 、Cy
、Ye 、Y、または、B 、G 、Rの順の白圧縮によりハイ
ライト色を確保して色広ダイナミックレンジ化して約 1
bit 改善する。さらに、V sub 変調でフォトダイオー
ド飽和特性を均一化し約 1 bit 改善する。または、CCD
電源電圧と同等の高い電源電圧を供給した低雑音演算
増幅器を雑音低減回路前の前置増幅器に用いるか、RDS
や IDDS 等により、雑音を低減した上で 12 bit 以上の
A/D 変換器を用い、信号の有効ダイナミックレンジを
拡大する。

【００２８】図１と図２は、図３の IR cut フィルタを
使用した本発明の固体撮像装置の一実施例の標準光源の
入射光量に対するレンズ絞りと利得と、出力映像の信号
レベルと雑音レベルを示す図である。図１と図２共に、
(a) はレンズ絞り、(b) は利得、(c) は映像出力の応答
を示す。入射光量が多い図１と図２の右端の低感度動作
は、回折が激しくなるレンズ絞り値（約 F22 ）より暗
くならないよう、クローズリミタでレンズ絞りが固定さ
れており、主に電子シャッタで感度を低減させて、出力
映像の信号レベルを一定にする。光軸付近に赤外線を除
去し特に赤を減衰し可視光を減衰するフィルタがあるこ
とにより、図３の点線と説明の様に、青を通過、緑が約
0.5 、赤が約 0.25 に減衰する赤外線除去フィルタ（
G,R,IR cut フィルタ）と等価となる。

【００２９】図１では、入射光量が少し少なくなると、
利得が少し高くなりレンズ絞りが少し開く、固体撮像素
子のダイナミックレンジが余裕ができる。赤外線除去し
赤を少し減衰し、緑を少し減衰し、青は減衰しない同心
円状の IR cut フィルタに入射光が通過するのが支配的
になり、感度が約 6 dB 改善する。色再現は感度改善分
劣化する。入射光量が非常に少なくなると、利得が高く
なり、赤外線、赤、緑、青も減衰しない周辺の透明フィ
ルタに入射光が通過するのが支配的になり、出力映像信
号をモノクロにして、青の感度が低い事による色雑音が
無視でき、感度が約 9 dB改善する。

【００３０】図２では、入射光量が少し少なくなると、
利得が少し高くなりレンズ絞りが少し開く、固体撮像素
子のダイナミックレンジが余裕ができる。赤外線除去し
赤を減衰し、緑、青は減衰しない同心円状の R,IR cut
フィルタに入射光が通過するのが支配的になり、感度が
約 3 dB 改善する。色再現は感度改善分劣化する。

【００３１】入射光量が少なくなると、赤外線除去し赤
を少し減衰し、緑と青は減衰しない２番目の同心円状の
IR cut フィルタで、感度が、約 6 dB 改善する。色再
現は感度改善分劣化する。入射光量が非常に少なくなる
と、利得が高くなり、赤外線、赤、緑、青も減衰しない
透明フィルタに入射光が通過するのが支配的になり、出
力映像信号をモノクロにして、青の感度が低いことによ
る色雑音が無視できるため利得をさらに高くでき、実効
感度が約 12 dB 改善する。

【００３２】減衰フィルタの同心円の境は断面を斜めに
し、滑らかに変化させる。または、カラーのままとし
て、高感度撮影時は、目立つ青雑音を低減するため、青
の信号帯域を２次元で低減する。２ラインメモリを用い
て画素を加算することにより垂直は信号帯域を約 1/3
に減衰させる。水平も画素を加算することによりの信号
帯域を約 1/6 に減衰させる。信号を加算平均すると雑
音は帯域の平方根に比例し、信号レベルは一定なので、
SN 比は帯域の平方根に反比例する。緑が約 0.5 、赤が
約 0.25 に減衰する赤外線除去フィルタ（ G,R,IR cut
フィルタ）と比較して、IR cut フィルタでは、赤が約
3.5 倍、緑が約 2 倍になる分、輝度感度が 0.5 x 3.5
+ 0.5 x 2 ＝ 2.75 と雑音同等の利得なら約 2.75倍に
高感度化する。したがって、青雑音が約 0.23 に低減し
て緑の雑音の約 0.5 になったことと合わせ、雑音同等
の感度が約 2.75 倍から約 4.3 倍向上し、信号の有効
ダイナミックレンジを拡大する。

【００３３】図４によって本発明の一実施例を説明す
る。図４は、本発明の一実施例の３板カラー固体撮像装
置の構成を示すブロック図である。図４において、入射
光 Lin は、レンズ 11（絞り 9 と中心部スポットフィ
ルタ 10 を含む）とフィルタ 8 と光学低域通過フィル
タ入り色分解光学系 12 を通過し、赤入射光 Lir 、緑
入射光 Lig 、及び、青入射光 Lib となる。フィルタ 8
は、合成樹脂の一枚板であり、光軸を中心にして回転
し、透明フィルタ部 21 と、青と緑と赤のほとんどの色
帯域を通過する赤外線除去フィルタ（以下、PIR cut フ
ィルタとも称する）部 22 と、青と緑の色帯域を通過し
赤の色帯域を減衰する赤外線除去フィルタ（以下、R,IR
cut フィルタとも称する）部 23 と、青の色帯域を通
過し緑と赤の色帯域を減衰する赤外線除去フィルタ（以
下、G,R,IR cut フィルタとも称する）部 24 と、G,R,I
R cut フィルタと赤と緑の色帯域を減衰する C4 色温度
変換フィルタとを組み合わせたフィルタ（以下、G,R,IR
cut + C4 フィルタとも称する）部 25 、G,R,IR cut +
C4 フィルタと青と緑の色帯域を減衰する W4 色温度変
換フィルタとを組み合わせたフィルタ（以下、G,R,IR c
ut + W4 フィルタとも称する）部 26 、及び、G,R,IR c
ut + W10フィルタ部 27 とで構成されている。

【００３４】フィルタ 8 では、各色帯域の減衰と色温
度変換が可能なので、中心部スポットフィルタ 10 は、
光軸付近の可視光減衰と周辺透明だけで良い。入射光 L
ir、Lig 、Lib はそれぞれ、固体撮像素子 1 、2 、3
で、信号 Vir 、Vig 、Vibに変換され、抵抗 R7 〜 R12
で基準振幅を揃えて映像信号 Vpr 、Vpg 、Vpb とな
り、それぞれ、利得制御増幅回路 13A1 、13A2 、13A3
に出力される。

【００３５】利得制御増幅回路 13A1 、13A2 、13A3
は、内蔵されている図示していない暗部補正波形発生回
路が発生する補正波形を混合し、入力される所定の利得
制御電圧 Er gain 、Eh 、 Eb gain それぞれにより利
得を可変し、映像信号 Vmr 、Vmg 、Vmb となり、アナ
ログデジタル（ A/D ）変換器 4 、5 、6 にそれぞれ出
力する。A/D 変換器 4 、5 、6 それぞれは、入力され
たそれぞれの信号をデジタル信号に変換し、ラインメモ
リ 14 、16 、18 それぞれと信号処理回路 7 とに出力
する。ラインメモリ 14 、16 、18 は、入力された信号
を１水平走査期間に１回遅延して、デジタル信号処理回
路 7 とラインメモリ 15 、17 、19 に出力する。ライ
ンメモリ 15 、17 、19 は、入力された信号を１水平走
査期間に１回遅延（トータル２回遅延）して、デジタル
信号処理回路 7 に出力する。デジタル信号処理回路 7
は、出力映像信号 Vor（赤映像出力信号）、Vog（緑映
像出力信号）、Vob（青映像出力信号）を出力する。単
板カラーカメラでは、フィルタ 8 が扇状で透明 21
と、IR cut または R,IR cut フィルタ 22 の小型簡易
となれば、中心部スポットフィルタ 10 は、光軸付近の
可視光減衰と周辺透明だけで良い。

【００３６】フィルタ 8 が省略されれば、中心部スポ
ットフィルタ 10 は、光軸付近の赤外線除去と可視光減
衰と周辺透明となる。また、色分解光学系 12 が光学低
域通過フィルタのみとなり、固体撮像素子からラインメ
モリまでが１系統となる。具体的には、入射光 Lin は
絞り 9 、フィルタ 10 を含むレンズ 11（と扇状のフィ
ルタ 8 ）と光学低域通過フィルタ 12 を通過し、入射
光 Lig となる。入射光 Lig は、固体撮像素子 2 で、
信号 Vig に変換され、抵抗 R9 、R10 で基準振幅を揃
えて映像信号 Vpg となる。利得制御増幅回路 13A2 で
暗部補正波形を混合し、利得制御電圧 Er gain 、Eh 、
Eb gain により画素単位で利得を可変し、映像信号 Vmg
となり、アナログデジタル変換器 5 でデジタル信号に
変換され、ラインメモリ 16 〜 17 で１水平走査期間を
２回遅延し、デジタル信号処理回路 7 で、出力映像信
号 Vor 、Vog 、Vob となる。フィルタ 8 と、利得制御
増幅器 A1 、A2 、A3 の利得とが連動して、変化する。

【００３７】高感度ではあるが、ダイナミックレンジの
余裕のない安価な CCD を用い、可視光減衰フィルタを
高精度金型と合成樹脂で製作し、分光透過率を光軸と周
辺で可変し、利得の制御方法を変更するだけで、広いダ
イナミックレンジと高感度の両立を実現することができ
る。したがって、安価で低消費電力で小型な、広いダイ
ナミックレンジの撮像装置が実現できる。

【００３８】単一のオンチップカラーフィルタ付き固体
撮像素子を用いる場合、赤外線除去フィルタ切替機構が
不要で、ペルチェ冷却機構が収納できる。そのため、暗
電流が抑圧でき、高利得でも高画質が維持され、実効的
に高感度となる。

【００３９】色分解光学系と複数の固体撮像素子を用い
ると原価上昇するが、感度等仕様向上容易なので、入札
仕様による他社排除が容易になる。例えば、CCD メーカ
が赤の感度向上分増加した CCD 飽和レベルを低感度時
のダイナミックレンジ拡大に利用する。浅いフォトダイ
オードの 1/3 型（撮像面対角 6 mm ）CCD と 9 bitA/D
を用いた KP-D8 比のダイナミックレンジ改善概略量で
合計 6 bit の広ダイナミックレンジ化で国土交通省入
札仕様が確保される。

【００４０】画素単位で増幅度を可変するか色分解光学
系と複数の固体撮像素子を用いて約2bit 改善する。深
いフォトダイオードの CCDフォトダイオードのフォトダ
イオードの飽和レベル向上と 10 bit 以上の A/D で約
1 bit 改善する。カット波長を短くする赤外線除去フ
ィルタまたは赤減衰の色温度変換フィルタを挿入し、フ
ィルタ排除前に増幅度を高くして赤と緑の入射光を減衰
で約 1 bit 改善する。

【００４１】フォトダイオード飽和特性を利用し白圧縮
の均一化により輝度広ダイナミックレンジ化する。利得
可変と連動した、G ，Mg ，Cy ，Ye ，Y またはB，G，R
の順の白圧縮によりハイライト色を確保して色広ダイ
ナミックレンジ化して約 1 bit 改善する。さらに、V s
ub 変調でフォトダイオード飽和特性を均一化し約 1bit
改善する。

【００４２】または、CCD 電源電圧と同等の高い電源電
圧を供給した低雑音演算増幅器を雑音低減回路前の前置
増幅器に用いるか、RDS や IDDS 等により、雑音を低減
した上で 12 bit 以上の A/D を用い、信号の有効ダイ
ナミックレンジを拡大する。

【００４３】

【発明の効果】以上のように本発明によれば、安価で低
消費電力で小型な、広いダイナミックレンジの撮像装置
が実現できる。また、暗電流が抑圧でき、高利得でも高
画質が維持され、実効的に高感度な撮像装置が実現でき
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例の固体撮像装置の入射光量
応答を示す図。

【図２】本発明の一実施例の固体撮像装置の入射光量
応答を示す図。

【図３】本発明の一実施例の IR CUT フィルタの構造
を示す図。

【図４】本発明の一実施例の固体撮像装置の構成を示
すブロック図。

【図５】分光透過率と分光感度曲線を示す図。

【図６】本発明の一実施例の IR CUT フィルタの構造
を示す図。

【図７】本発明の一実施例の IR CUT フィルタの構造
を示す図。

【符号の説明】

1〜3：撮像素子、 4〜6：A/D 変換器、 7：信号処理
回路、 8：回転板、9：絞り、 10：スポットフィル
タ、 11：レンズ、 12：色分解光学系、 13-1，13-
2，13-3：利得制御回路、 60：境界、 70，71：端、
200：光軸、 201：IR CUT フィルタ、 202，203，2
04：領域、 205，206：境界、 300：中心点。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁷ 識別記号ＦＩテーマコート゛(参考）Ｈ０４Ｎ 5/335 Ｈ０１Ｌ 27/14 Ｄ５Ｃ０６５Ｆターム(参考） 2H048 CA05 CA12 CA14 CA17 CA22 CA24 2H052 AC28 AD34 AF14 2H083 AA04 AA05 AA19 AA20 AA26 AA41 AA53 4M118 AA02 AB01 BA10 DD09 GC08 GC09 GC11 GC20 HA36 5C024 AX01 BX01 CX41 CX43 DX01 EX34 EX51 GY01 HX18 5C065 AA01 AA03 BB48 CC01 DD02 EE16 EE17 GG15

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】レンズ絞り付近の領域には、赤外線を除
去し赤の色帯域を減衰する第１の粒子と、可視光を減衰
する第２の粒子とを分散させた合成樹脂を多く混入さ
せ、レンズ絞り付近の領域から遠ざかる方向に徐々に、また
は、段階的に、前記第１と第２の粒子とを少なく混入さ
せることを特徴とするフィルタ。
【請求項２】円盤状の調光板であって、該調光板の時
計回り方向または判時計回り方向に、赤外線を除去し赤
の色帯域を減衰する第１の粒子と、可視光を減衰する第
２の粒子とを分散させた合成樹脂の混入量を、徐々に、
または、段階的に、変化させることを特徴とする調光
板。
【請求項３】扇の調光板であって、該調光板の時計回
り方向または判時計回り方向に、赤外線を除去し赤の色
帯域を減衰する第１の粒子と、可視光を減衰する第２の
粒子とを分散させた合成樹脂の混入量を、徐々に、また
は、段階的に、変化させることを特徴とする調光板。
【請求項４】オンチップカラーフィルタ付き固体撮像
素子と画素単位で利得を可変できる増幅器とを有するカ
ラー固体撮像装置、または、色分解光学系と複数の固体
撮像素子と可変できる増幅器と赤外線除去フィルタと雑
音低減回路とを有するカラー固体撮像装置において、赤外線を除去し赤を減衰する粒子と、可視光を減衰する
粒子の少なくとも一方を分散させた合成樹脂を光軸付近
に厚く周辺は薄くなるように形成した赤外線除去フィル
タまたは赤減衰フィルタまたは可視光減衰フィルタの少
なくとも１つをレンズ絞り近くの光軸付近に挿入し、回
折が激しくなるレンズ絞り値より暗くならないようにク
ローズリミタをかけ、該レンズ絞りが開き赤を減衰する
粒子が薄い平面の板部分を光束が通過する前に利得を高
くするか、または、該レンズ絞りを収差が大きくなる前
に最大利得にするか、または、赤外線除去または赤減
衰の少なくとも一方と、可視光減衰のフィルタを追加し
た自動調光板であって、該自動調光板の調光の透過率が
高くなる前に利得を高くし、絞りや自動調光で変化する
固体撮像素子の入射光の色温度に反比例するように絞り
や自動調光に連動して利得を可変し、周辺は透明な合成樹脂までレンズ絞りが開くと同時に、
出力映像信号をモノクロにし、レンズ後の赤外線除去フ
イルタを省略することと、撮像素子のペルチェ冷却を行
うことと、レンズの焦点距離の切替を行うか、あるいは、利得を高くするレンズ絞り値を回折で光学高
周波応答劣化するレンズ絞り値にして、利得が高くなり
レンズ絞りが開くと同時に、出力映像信号をモノクロに
し、レンズ後のカラー撮像用光学低域通過フィルタを省
略するかの少なくとも１つを特徴とする固体撮像装置。
【請求項５】請求項４記載の固体撮像装置において、
レンズ絞り近くのフィルタを、光軸付近を赤外線を除去
し赤を減衰する粒子と可視光を減衰する粒子を分散さ
せ、直径倍以上の次の同心円状に赤外線を除去し赤を減
衰する粒子とを分散させ、次の同心円の直径倍以上の２
番目の同心円状に透明な合成樹脂で、粒子分散の境は断
面を斜めにすることを特徴とする固体撮像装置。
【請求項６】光学低域通過フィルタを兼ねた赤外線除
去フィルタと概フィルタ切替機構とオンチップカラーフ
ィルタ付き固体撮像素子と雑音低減回路と画素単位で利
得を可変できる増幅器と、10 bit 以上のＡ／Ｄ変換回
路とを有するカラー固体撮像装置において、銅の錯体イ
オン等の赤外線を除去し赤を減衰する粒子を分散させた
合成樹脂をフィルタの一方に厚く他方は薄く、残りの厚
さは透明な合成樹脂として、合成樹脂全体では均一な厚
さの平面の板とする等により、フィルタの一方が赤外線
と赤の透過率が低く、他方が赤外線と赤の透過率が高く
すること、透過率が高いフィルタを選択する前に利得を
高くすること、フィルタで変化する固体撮像素子の入射
光の色温度に反比例するように画素単位で利得を可変す
ることと、光学低域通過フィルタとなるフィルタ表面凹
凸を透明フィルタは撮像素子画素ピッチの（細かい）白
黒用とし、赤外線を除去し赤を減衰する粒子を分散させ
たフィルタはオンチップカラーフィルタのカラーピッチ
の（粗い）単板カラー用とし、透明フィルタを選択する
際に出力信号を白黒とすることと、Ｃマウントを用いペ
ルチェ冷却等の固体撮像素子の冷却を行うこととの少な
くとも一方を特徴とする固体撮像装置。
【請求項７】回転フィルタ切替機構と固体撮像素子と
利得を可変できる増幅器とを有し、出力映像レベルが一
定になるように利得を自動可変するカラー固体撮像装置
において、回転フィルタの一部が銅の錯体イオン等の赤
外線を除去し赤を減衰する粒子と炭素粒子または白金等
の可視光を減衰する粒子の少なくとも一方を分散させた
合成樹脂フィルタ、他方が透明な合成樹脂フィルタ、中
間は赤外線を除去し赤を減衰する粒子と可視光を減衰す
る粒子の少なくとも一方を分散させた合成樹脂を薄く残
りの厚さは透明な合成樹脂として、合成樹脂全体では均
一な厚さの平面の板を置く等により、一方が赤外線を除
去し赤または可視光の透過率が低下し他方が透明で、中
間は透過率が暫時低減するフィルタとし、色温度が低く
光量が標準付近及び多い時は可視光減衰の回転フィルタ
を選択し、標準光や色温度の高く光量が多い時は可視光
減衰で特に赤の透過率が低い回転フィルタを選択し、標
準光や色温度の高く光量が標準付近時は赤の透過率が低
い回転フィルタを選択し、入射光量が低下すると（レン
ズ絞りを開き、レンズ絞り開放付近になると）利得を高
くし、高利得になると、赤の透過率が高い回転フィルタ
を選択し、回転フィルタで変化する固体撮像素子の入射
光の色温度に反比例するように利得を可変する、ことの
少なくとも一方を特徴とする固体撮像装置。
【請求項８】赤外線除去フィルタとオンチップカラー
フィルタ付き固体撮像素子と雑音低減回路と画素単位で
利得を可変できる増幅器とを有するカラー固体撮像装置
または、赤外線除去フィルタと色分解光学系と複数の固
体撮像素子と雑音低減回路と利得を可変できる増幅器と
を有するカラー固体撮像装置において、利得可変と連動
した、G,Mg,Cy,Ye,Y または B,G,R の順の白圧縮するこ
とと、固体撮像素子内の読出し増幅器の雑音を低減する
または、CCD 電源電圧と同等の高い電源電圧を供給した
低雑音演算増幅器を雑音低減回路前に用いる等で雑音低
減して、12 bit 以上の A/D を用いること、との少なく
とも一方を特徴とする固体撮像装置。
【請求項９】請求項４乃至請求項８のいずれか１つに
記載の固体撮像装置において、固体撮像素子基板電圧変
調（によるフォトダイオードの白圧縮の画面内均一化：
輝度広ダイナミックレンジ化）することと、高感度撮影
時は、雑音低減回路または、サンプルホールド回路やラ
インメモリと信号処理回路等で画素を加算する等により
垂直および水平方向の青の信号帯域を減衰させることの
少なくとも一方を特徴とする固体撮像装置。