JP2003298039A - 二色フォトディテクタを有するディジタルイメージセンサ - Google Patents
二色フォトディテクタを有するディジタルイメージセンサInfo
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Abstract
(57)【要約】
【課題】 従来のセンサと比べてフォトディテクタ間の
電気的絶縁性が改善された、各フォトディテクタ位置で
二色以上をサンプリング可能な新たなセンサを提供す
る。 【解決手段】 バルクシリコン（６０）中にある下部フ
ォトディテクタ素子（１３）と、その下部フォトディテ
クタ素子の上に高架された上部フォトディテクタ素子
（１２）とを有する、各フォトディテクタ位置で二色以
上を検出可能な二色フォトディテクタ（５）を含むセン
サ（１０）を提供する。各フォトディテクタ素子の色感
度は、上部フォトディテクタ素子の吸収曲線、及び上部
フォトディテクタ素子とカラーフィルタ（３０）アレイ
の厚さにより決まる。カラーフィルタアレイを用いるこ
となく２つのカラーフォトディテクタアレイ内の色を正
確にサンプリングするために、隣接する２つのフォトデ
ィテクタの上部フォトディテクタ素子が２つの異なる厚
さにされる。
電気的絶縁性が改善された、各フォトディテクタ位置で
二色以上をサンプリング可能な新たなセンサを提供す
る。 【解決手段】 バルクシリコン（６０）中にある下部フ
ォトディテクタ素子（１３）と、その下部フォトディテ
クタ素子の上に高架された上部フォトディテクタ素子
（１２）とを有する、各フォトディテクタ位置で二色以
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サ（１０）を提供する。各フォトディテクタ素子の色感
度は、上部フォトディテクタ素子の吸収曲線、及び上部
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となく２つのカラーフォトディテクタアレイ内の色を正
確にサンプリングするために、隣接する２つのフォトデ
ィテクタの上部フォトディテクタ素子が２つの異なる厚
さにされる。
Description
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は一般にディジタルカ
ラーイメージセンサに関し、より具体的には単一のフォ
トディテクタ（光検出器）位置で２つの色を検出可能な
二色フォトディテクタ及び二色フォトディテクタアレイ
のデモザイク法（demosaicing）に関する。 【０００２】 【従来の技術】ディジタルカラーイメージセンサには、
ＣＣＤ（電化結合素子）とＣＭＯＳ−ＡＰＳ（相補型金
属酸化物半導体−アクティブフォトディテクタセンサ）
の主に二種類がある。通常、どちらのタイプのセンサ
も、行及び列に配置されるかまたは他のパターンに配置
されるフォトディテクタのアレイ（例えばピクセル）を
含んでおり、これによって画像中の色をサンプリングす
る。各フォトディテクタは、１つまたは複数の知覚色に
対応する１つ又は複数の波長範囲内の光の強度を測定す
る。 【０００３】加えて、両タイプのセンサとも、参照によ
り本明細書に援用されるＢａｙｅｒによる従来例（以
下、単に「ベイヤー」と呼ぶ）のようなカラーフィルタ
アレイ（ＣＦＡ）を含むことができる（特許文献１参
照）。各フォトディテクタは、ベイヤーのＣＦＡを用い
て、赤、緑又は青に対応する１つの波長範囲のみを検出
する。単一のフォトディテクタにおいて三原色全てのセ
ンサ値を得るには、隣接するフォトディテクタからカラ
ーセンサ値を補間しなければならない。この補間処理は
デモザイク処理と呼ばれる。デモザイク処理された画像
は、ＣＦＡを用いて適合されたイメージセンサにおいて
は、本質的に存在する色のアンダーサンプリングによる
カラーエイリアシングアーチファクト（歪み）を呈する
ことが多い。カラーエイリアシングアーチファクトに関
連する問題の一部を解決するために、他のセンサ設計が
提案されている。 【０００４】例えば、ＣＦＡを用いない他のセンサ設計
の１つとして、同じフォトディテクタ位置において特殊
なプリズムにより三原色を分割して補足するものがあ
り、これは、参照により本明細書に援用されるRichard
F. Lyonによる従来例に記載されている（非特許文献１
参照）。しかしながら、この手法ではプリズムや光学部
品のコストが非常に高くなる。加えて、３つのセンサと
光学部品のアライメントをフォトディテクタの幅の数分
の一よりも小さな単位（３μｍ程度）でＸ、Ｙ方向に手
動で行わなければならず、多くの画像形成アプリケーシ
ョンには適用することができない。 【０００５】参照により本明細書に援用されるStiebig
らによる従来例及びMerillによる従来例は、いずれも他
のタイプのセンサ設計について記載している（特許文献
２及び特許文献３参照）。Stiebigら及びMerillのセン
サは、３つの別個のカラーフォトダイオードを重ね合わ
せ、これらのフォトダイオードを電気的に接続すること
により、単一の空間位置で三原色全てを検出することが
できる１つのフォトディテクタを形成するというもので
ある。しかしながら、Stiebigら及びMerillのセンサは
共通の陽極（アノードコモン）を持っているため、１つ
の三色フォトディテクタ位置から出力される電流は２つ
以上のフォトダイオード電流の組み合わせということに
なる（すなわち、フォトディテクタが相互に電気的に絶
縁されていない）。したがって、３つのフォトダイオー
ド全てから出力される電流の差を測定するには相当な量
の回路が必要となり、コスト的にも面積的にも許容され
ない場合がある。 【０００６】さらに他のセンサ設計として、参照により
本明細書に援用されるK. M. Findlaterらによる従来例
がある（非特許文献２参照）。Findlaterらの論文は、S
tiebigら及びMerillにより記載された「三色フォトディ
テクタ」のかわりに、「二色フォトディテクタ」につい
て述べている。Findlaterのセンサにおいては、各フォ
トディテクタはバルクシリコン中に存在する背中合わせ
の（back to back）２つのフォトダイオードを含んでい
る。さらに、Findlaterのセンサは非ベイヤーのカラー
フィルタアレイ（ＣＦＡ）モザイクに覆われている。し
たがって、２つのフォトディテクタ毎に４つの異なるカ
ラー値が抽出されるのである。 【０００７】 【特許文献１】米国特許第３，９７１，０６５号 【特許文献２】米国特許第５，９９８，８０６号 【特許文献３】米国特許第５，９６５，８７５号 【非特許文献１】Richard F. Lyon, “Prism-Based Col
or Separation for Professional DigitalPhotograph
y”, Proceedings of 2000 PICS Conference, IS&T, p.
50-54 【非特許文献２】K. M. Findlater et al., “Buried D
ouble Junction Photo-detector Using Green and Mage
nta Filters”, 1999 IEEE Workshop on CCDs and Adva
nced ImageSensors, p.60-64 【０００８】 【発明が解決しようとする課題】Findlaterの設計は従
来のベイヤーパターンと比べるとより正確に色を再生で
きるが、センサ各々の吸収スペクトル（すなわち、感度
領域）が固定されているため、２つのバルクフォトダイ
オードの色の分離は悪い。加えて、Findlaterの設計で
は、各フォトディテクタの２つのフォトダイオード及び
全ての回路がバルクシリコン中に集積化されているた
め、フォトディテクタ自体が大きく、領域及びコストの
両方が増大することになる。そこで、Findlaterの設計
と比べて色分離が改善され面積が小さく、従来の三色セ
ンサ設計と比べてフォトディテクタ間の電気的絶縁性が
改善された、各フォトディテクタ位置において２つ以上
の色をサンプリングすることができる新たなセンサ設計
が必要とされている。 【０００９】 【課題を解決するための手段】本発明は、バルクシリコ
ン中にある下部フォトディテクタ素子と、その下部フォ
トディテクタ素子の上に高架された上部フォトディテク
タ素子とを有する二色フォトディテクタを含むセンサを
提供する。これにより、センサは各フォトディテクタ位
置において２つ以上の色をサンプリングすることができ
る。各フォトディテクタ素子の色感度は、上部フォトデ
ィテクタ素子の吸収曲線、及び上部フォトディテクタ素
子とカラーフィルタアレイ（使用する場合）の厚さによ
り決まる。 【００１０】一部の実施形態においては、高架された上
部フォトディテクタ素子は、上部フォトディテクタ素子
及び下部フォトディテクタ素子の両方に必要とされる回
路上に配置することができる。他の実施形態において
は、カラーフィルタアレイを用いることなく２つのカラ
ーフォトディテクタアレイ内の色を正確にサンプリング
するために、隣接する２つのフォトディテクタの上部フ
ォトディテクタ素子が２つの異なる厚さにされる。これ
により、アレイ内の二色フォトディテクタ対のそれぞれ
が４つの異なる色（例えば、青と青の補色及び赤と赤の
補色）を検出することができる。 【００１１】他の実施形態においては、圧縮・保存用に
生のカラー値を処理するために、二色フォトディテクタ
の２ｘ２ブロックに色変換マトリクスを使用して４色
（８つのカラー値）をＹＣｂＣｒ（４：１：１）等の新
たな色空間に変換することができる。したがって、隣接
画素処理（neighborhood operation）を用いたデモザイ
クにより各フォトディテクタ位置において全４色を補間
し、その後ＹＣｂＣｒ（４：１：１）色空間へと変換す
る代わりに、隣接画素処理を全く必要とせず、生のカラ
ー値自体からＹＣｂＣｒ（４：１：１）色空間へと直接
変換できる、より簡単なデモザイク方法を実施すること
ができる。 【００１２】さらに、二色フォトディテクタ中の２つの
フォトディテクタ素子は互いから電気的に絶縁されてい
るため、各フォトディテクタ素子のダイナミックレンジ
が向上する。２つのフォトディテクタ素子間の電気的絶
縁により、２つのフォトディテクタ素子間の色分離を改
善することもできる。また、一方のフォトディテクタ素
子をもう一方のフォトディテクタ素子及び回路の上に高
架されたことにより、従来の二色センサ設計と比べて、
二色フォトディテクタを製作するための空間を小さくす
ることができる。 【００１３】本発明は、上述した特徴及び利点に付加さ
れる、又はこれらに代わる他の特徴及び利点を持つ実施
形態をも提供する。これらの特徴及び利点の多くは、図
面と共に以下の説明を参照することにより明らかとな
る。 【００１４】 【発明の実施の形態】実施形態を参照して本発明の新た
な教示内容を説明する。しかしながら、これらの実施形
態は、本発明に含まれる教示内容の多数の有利な用法の
うちの一部のみを提供するものであることを理解された
い。 【００１５】図１は、ディジタルイメージセンサ１０に
ついて、二色フォトディテクタ（例えば、ピクセル）５
の２ｘ２ブロックの一例を示した図である。図２におい
て、４つのフォトディテクタ領域内に８個のフォトディ
テクタ素子（例えばフォトダイオード、フォトコンダク
タまたはフォトトランジスタ）がある。各フォトディテ
クタは、それぞれ異なる色を検出する２個のフォトディ
テクタ素子を含む二色フォトディテクタ５である。二色
フォトディテクタ５の２ｘ２ブロック内には、２種類の
二色フォトディテクタが存在する。二色フォトディテク
タの一方のタイプは、それぞれ第１及び第２の波長範囲
内の光（すなわち、赤の補色及び赤）を受けてこれを吸
光し、この結果得られる電荷を集めることができる第１
及び第２のフォトディテクタ素子１２、１３を有する。
二色フォトディテクタのもう一方のタイプは、それぞれ
第３及び第４の波長範囲内の光（すなわち、青及び青の
補色）を受けてこれを吸光し、この結果得られる電荷を
集めることができる第３及び第４のフォトディテクタ素
子２１、２２を有する。本技術分野で理解されているよ
うに、ここで言うフォトディテクタ素子とは、フォトコ
ンダクタまたはフォトダイオードと考えることができ
る。本明細書ではフォトディテクタ素子１２及び１３が
第１及び第２の波長範囲を吸収し、他の二色フォトディ
テクタ素子２１及び２２が第３及び第４の波長範囲（例
えば赤色及び青色の波長）を吸収するものとして説明し
ているが、センサ１０の設計及び用途に応じて、どのフ
ォトディテクタ素子も任意の波長範囲を吸収可能である
ことは理解されよう。さらに、フォトディテクタ素子１
２及び１３に吸収されるそれぞれの波長範囲がフォトデ
ィテクタ素子２１及び２２に吸収される波長範囲と部分
的に重なっていても良く、センサ１０の感度に大きい影
響を与えないことも理解されよう。 【００１６】適正な厚さを持つアモルファスシリコン
（αＳｉ：Ｈ）（点線で図示）の単層が、各二色フォト
ディテクタの上部フォトディテクタ素子１２又は２１と
して働く。二色フォトディテクタの下部フォトディテク
タ素子１３又は２２は、バルクシリコン（実線で図示）
中にある。図からわかるように、各二色フォトディテク
タの上部フォトディテクタ素子１２又は２１は、各二色
フォトディテクタの下部フォトディテクタ素子１３又は
２２に対して「高架された（elevated）」位置関係（す
なわち、下部フォトディテクタ素子の上部に空間をあけ
て置かれる関係）にある。上部フォトディテクタ素子
は、アモルファスシリコン以外の材料で形成できること
に注意されたい。 【００１７】しかしながら、各二色フォトディテクタの
上部フォトディテクタ素子にアモルファスシリコンを用
いると、上部フォトディテクタ素子１２、２１と下部フ
ォトディテクタ素子１３、２２を独立して制御すること
ができる。さらに、アモルファスシリコンの利用によ
り、アモルファスシリコン層の厚さを介して色応答（co
lor response）の調整が可能となる。各二色フォトディ
テクタの色応答を調整するためには、上部フォトディテ
クタ素子１２又は２１のアモルファスシリコン層の厚さ
を変化させれば良い。例えば、薄いアモルファスシリコ
ン層を上部フォトディテクタ素子１２に使用すると青色
のみを吸収し、その下にあるバルクシリコン内の下部フ
ォトディテクタ素子１３は青の補色（例えば黄色）を吸
収するようになる。一方、上部フォトディテクタ素子１
２のアモルファスシリコン層を厚くすると、上部フォト
ディテクタ素子１２は赤色の補色（例えばシアン）を抽
出し、バルクシリコン内の下部フォトディテクタ素子１
３は赤色を吸収するようになる。 【００１８】種々のアモルファスシリコン層の厚さにつ
いて、波長に対する吸収率を図３に示す。図３から明ら
かなように、５０００Å厚のアモルファスシリコン層は
スペクトルの青色部分（波長５００ｎｍ付近）を１００
％、緑色部分（波長約５７５から６５０ｎｍ）の４０か
ら８０％、そして赤色部分（波長約６７５から７５０ｎ
ｍ）の２０％未満を吸収する。 【００１９】図１に示した例には、カラーフィルタが示
されていない。しかしながら、二色フォトディテクタ５
の応答を調節するためにカラーフィルタを用いても良い
ことは理解されよう。例えば、二色フォトディテクタ５
の１タイプはマゼンタフィルタを含んでも良く、二色フ
ォトディテクタ５の別のタイプはシアンフィルタを含ん
でも良い。マゼンタフィルタは、スペクトルのうち赤色
及び青色部分のみを２つのフォトディテクタ（すなわち
１２及び１３）へと通す。スペクトルの青色部分は上部
フォトディテクタ素子１２により吸収され、スペクトル
の赤色部分は下部フォトディテクタ素子１３により吸収
される。シアンフィルタは、スペクトルのうち青色及び
緑色部分のみを２つのフォトディテクタ（すなわち２１
及び２２）へと通す。スペクトルの青色部分は上部フォ
トディテクタ２１により吸収され、スペクトルの緑色部
分は下部フォトディテクタ素子２２により吸収される。
しかしながら、センサ１０に求められる色空間及び色サ
ンプリングに応じて、他のカラーフィルタも使用できる
ことは理解されよう。 【００２０】図２は、図１に示した例示的な二色フォト
ディテクタ５の断面図である。カラーフィルタ３０は酸
化インジウム錫のような透明金属導体４０上にある。透
明金属導体４０の下には、高架されたフォトダイオード
１２があるが、これはＰ層１２ａ、Ｉ層１２ｂ及びＮ層
１２ｃを含む。逆バイアスがかけられた場合、高架され
たフォトダイオード１２は受光すると電荷を収集する。 【００２１】二酸化シリコン（ＳｉＯ２）等の誘電体５
０（層間金属誘電体として図示）は、高架されたフォト
ダイオードをバルクシリコンフォトダイオード１３から
分離している。誘電体５０は、２つのフォトダイオード
１２及び１３の各々から出る電流を分離するために（そ
してこれによりフォトダイオード間を電気的に絶縁する
ために）、フォトダイオード１２及び１３の陽極を分離
する。バルクシリコンフォトダイオード１３は、シリコ
ン基板６０中に形成される。Ｐ型シリコン基板６０中に
浅いＮ＋領域が形成され、これにより高架されたフォト
ダイオード１２が検出する光の波長よりも長い波長を持
つ光が検出される。これに加え、図示していないが、バ
ルクシリコンフォトダイオード１３に隣接して、高架さ
れたフォトダイオード１２とバルクシリコンフォトダイ
オード１３を駆動する回路がバルクシリコン内に存在す
る。 【００２２】二色フォトディテクタアレイから生成され
た生のカラー値を圧縮・保存する目的で処理するため
に、いくつかの異なる種類のデモザイク処理及び色空間
変換アルゴリズムを元の生のカラー値に適用することが
できる。カラーフィルタを用いた場合、各フォトディテ
クタ位置において３つのカラー値（すなわち赤色、青色
及び緑色、あるいはシアン、マゼンタ及びイエロー）を
補間するために、周知のデモザイク技術のいずれをも採
用することができる。各フォトディテクタは三色のうち
の二色を検出するので、デモザイク処理の結果は従来の
ベイヤーＣＦＡパターンよりも正確なものとなるはずで
ある。生のカラー値及び補間カラー値は、既知の変換処
理のいずれかによって他の色空間へと変換することがで
きる。 【００２３】カラーフィルタを使用しない場合、アレイ
内の二色フォトディテクタ対の各々は、４つの異なる色
（すなわち、青と青の補色及び赤と赤の補色）を検出す
る。図１に示したような二色フォトディテクタの２ｘ２
ブロックを処理するためには、４つのカラー値を補間
し、さらに例えばＪＰＥＧ（Joint Photographic Exper
t Group）を用いてカラー値を圧縮に適した色空間へと
変換するための、新たなデモザイク技術が必要となる。
ＪＰＥＧ技術については、参照により本明細書に援用さ
れる、W. Pennebaker及びJ. Mitchellによる“ＪＰＥ
Ｇ：Still Image Data Compression Standard”（New Y
ork: Van Nostrand Reinhold, 1993）に記載されてい
る。 【００２４】図４Ａ及び図４Ｂに示すように、一実施形
態おいては、２ｘ２ブロックの二色フォトディテクタ５
が生成した８個の生のカラー値ａ１２、ａ２２、
ｂ１１、ｂ ２２、ｃ１２、ｃ２１、ｄ１２及びｄ
２１が、ＹＣｂＣｒ（４：１：１）等のカラー値
ｙ１１、ｙ１２、ｙ２１、ｙ２２、ｃｂ及びｃｒを持つ
新しい色空間へとデモザイクなしで直接的に変換され
る。以下では、４つの異なる色（すなわち、赤と赤の補
色及び青と青の補色）を、Ａ、Ｂ、Ｃ及びＤとして示
す。従って、図４Ａに示した２ｘ２ブロックの二色フォ
トディテクタ５の構成は以下の通りとなる。 【００２５】左上のフォトディテクタ：基底関数Ａ、係
数ａ１１、及び基底関数Ｂ、係数ｂ１ １ 右上のフォトディテクタ：基底関数Ｃ、係数ｃ１２、及
び基底関数Ｄ、係数ｄ１ ２ 左下のフォトディテクタ：基底関数Ｃ、係数ｃ２１、及
び基底関数Ｄ、係数ｄ２ １ 右下のフォトディテクタ：基底関数Ａ、係数ａ２２、及
び基底関数Ｂ、係数ｂ２ ２ 【００２６】図４Ｂに示すように、上記の８個のカラー
値から６個の新たなカラー値ｙ１１、ｙ１２、ｙ２１、
ｙ２２、ｃｂ及びｃｒが求められる。より具体的には、
求める必要がある新たなカラー値は以下の通りである。 【００２７】 左上のフォトディテクタ：基底関数Ｙ、係数ｙ１１ 右上のフォトディテクタ：基底関数Ｙ、係数ｙ１２ 左下のフォトディテクタ：基底関数Ｙ、係数ｙ２１ 右下のフォトディテクタ：基底関数Ｙ、係数ｙ２２ フォトディテクタ群の中心：基底関数Ｃｂ、係数ｃｂ；
基底関数Ｃｒ、係数ｃｒ 【００２８】図５は、図４Ａ及び図４Ｂに示した直接逆
デモザイク法（direct inversion demosaicing）を実施
するステップの一例を説明するフローチャートである。
最初に、ＡＢＣＤ空間からＹＣｂＣｒ空間への色変換マ
トリクスが生成される（ステップ５００）。色変換マト
リクスを得る最も単純な方法は、「最大無知法（maximu
m ignorance method）」であり、これは基底関数（例え
ば色）のスペクトル感度曲線しか必要としないものであ
る。最大無知法を使用して色変換マトリクスを得るに
は、単純な擬似逆行列計算が行われる。例えば、最大無
知法を実施した結果、以下の４ｘ３マトリクス
（［Ｅ］）により４つの色Ａ、Ｂ、Ｃ及びＤをＹ、Ｃｂ
及びＣｒカラー値へと変換することができる。 【００２９】 【数１】 【００３０】人の目は、８つのカラー値を生成する２ｘ
２ブロックの二色フォトディテクタに対して輝度よりも
クロミナンス（chrominance）の高周波変化に対する感
度が低いため、次式のように、上述のマトリクスを拡張
したものによってこれらの８つの値を６つの値（例えば
４つのＹ値、１つのＣｒ値、１つのＣｘ値）へと変換す
ることができる（ステップ５１０）。 【００３１】 【数２】 【００３２】生のカラー値を取得すると（ステップ５２
０）、これらの生のカラー値が上記マトリクスへと適用
される（ステップ５３０）。例えば、図４Ａの左上の二
色フォトディテクタの生のカラー値を上記マトリクスに
適用すると、次式が得られる。 【００３３】 【数３】 （式１） （式２） 【００３４】図４Ａの右上の二色フォトディテクタの生
のカラー値を上記拡張マトリクスに適用すると、次式が
得られる。 【００３５】 【数４】 （式３） （式４） 【００３６】図４Ａにの左下の二色フォトディテクタの
生のカラー値を上記拡張マトリクスに適用すると、次式
が得られる。 【００３７】 【数５】 （式５） （式６） 【００３８】最後に、図４Ａの右下の二色フォトディテ
クタの生のカラー値を上記拡張マトリクスに適用する
と、次式が得られる。 【００３９】 【数６】 （式７） （式８） 【００４０】上記８つの式は６つの未知の値（ｙ１１、
ｙ１２、ｙ２１、ｙ２２、ｃｂ、ｃ ｒ）を含む。これら
の８つの式は、最小二乗法を使用して解くことができ、
６つの未知の値が求められる（ステップ５４０）。ここ
で説明したＹＣｒＣｂのかわりに、Ｌａｂ（Ｌ＊ａ＊ｂ
＊）等の他の色空間を使用しても良いことは理解されよ
う。また、あらゆる新たな色空間に対して値が４：１：
１でサンプリングされる点を理解されたい。すなわち、
成分の１つが４つの値を持ち、他の２つがそれぞれ１つ
の値を持つということである。 【００４１】デモザイクのかわりに、各フォトディテク
タ位置において四色全てを補間し、その後生のカラー値
自体からＹＣｂＣｒ（４：１：１）色空間へと変換する
隣接画素処理を用いても良い。このような圧縮前の画像
処理はセンサ自体で実施することが可能であり、これに
よりセンサが出力しなければならないデータ量を削減す
ることができる。 【００４２】他の実施形態では、二色フォトディテクタ
アレイにより生成される生のカラー値にエッジ加重補間
（edge weighted interpolation）を適用することがで
きる。画像内には光の強度が急峻に変化するエッジが多
数ある。シャープな出力画像を生成するためには、エッ
ジをまたいだ色補間よりもエッジに沿った色補間に向け
られるべきである。各フォトディテクタ位置についてエ
ッジをまたぐ色補間を回避するために、図７に関連して
以下に説明するエッジ加重デモザイク法により、そのフ
ォトディテクタがエッジにあるか否かが判断され、もし
そうであればエッジの向きが推定される。本明細書にお
いて「エッジ」という語は、強度変化が急峻な画像特徴
のオブジェクト又は他の境界に関連する値を生成するフ
ォトディテクタを指す。「エッジ」という語は、画像の
４つの自然境界の１つに位置するフォトディテクタ（す
なわち、センサ自体の端部に位置するフォトディテク
タ）を意味するものではない。 【００４３】図６に示すように、二色フォトディテクタ
アレイにおいて、色Ｃ及びＤを検出する二色フォトディ
テクタ５は、色Ａ及びＢを検出する４つの二色フォトデ
ィテクタ５によって水平方向及び垂直方向に囲まれてい
る。例えば、色Ａの値をＣ／Ｄフォトディテクタ位置で
補間するために、次式を適用することができる。 【００４４】 【数７】 （式９） ここで、Ａｘ及びＡｙは水平方向及び垂直方向における
勾配である。すなわち、以下の通りである。 【００４５】 【数８】 （式１０） （式１１） 【００４６】エッジ加重デモザイク処理は、最も変化の
小さい方向において近隣からの補間を行って、エッジを
ぼやけさせるリスクを最小化するので、他よりも大きい
勾配の１つがあると、反対側のフォトディテクタ対によ
り大きい加重が割り当てられる。例えば、水平方向の勾
配が垂直方向の勾配よりも大きい場合、ＡｘよりもＡ ｙ
により大きな加重が割り当てられる。Ｃ／Ｄフォトディ
テクタ位置におけるＢ値の補間にも同様の式を使用する
ことができる。 【００４７】図７はエッジ加重デモザイク法の一例を示
すフローチャートである。生のカラー値が取得されると
（ステップ７００）、各二色フォトディテクタ位置につ
いて２つのカラー値が補間される（ステップ７１０）。
２つの欠損（missing）カラー値をフォトディテクタ位
置から補間する前に、上記の式１０及び１１を使用して
水平方向の勾配及び垂直方向の勾配が求められる（ステ
ップ７２０）。その後、上記式９を用いて２つの欠損値
のエッジ加重補間が実施される（ステップ７３０）。各
フォトディテクタ位置の欠損フォトディテクタ値は、全
て同様の方法で計算される（ステップ７１０からステッ
プ７３０）。 【００４８】各二色フォトディテクタ位置について４つ
のカラー値が揃うと（ステップ７１０）、各二色フォト
ディテクタ位置の４つのカラー値が以下の色変換マトリ
クス（上述した変換マトリクスと同一のもの）に適用さ
れ、各二色フォトディテクタの４つの値がＹＣｂＣｒ等
の他の色空間へと変換される（ステップ７４０）。 【００４９】 【数９】 ここで、マトリクス［Ｅ］は、基底関数（例えば色）の
スペクトル感度曲線しか必要としない最大無知法から導
出される。マトリクスを適用した結果、各二色フォトデ
ィテクタ位置はその位置に関連するＹ値、Ｃｂ値及びＣ
ｒ値を持つことになる。当分野において周知の通り、Ｙ
ＣｂＣｒ（４：１：１）色空間への変換を完了するため
にはＣｂ及びＣｒ値の追加サブサンプリングが必要であ
る（ステップ７５０）。 【００５０】エッジ加重デモザイク法は、直接逆デモザ
イク法よりもシャープな画像を生成することができる
が、エッジ加重デモザイク法は２ｘ２フォトディテクタ
上の閉じたオペレーションではない。従って、エッジ加
重デモザイク法で画像をデモザイクするためには何らか
のバッファリング（すなわち、２ラインバッファリン
グ）が必要となる。 【００５１】本発明には例として以下の実施形態が含ま
れる。 【００５２】１．第１の波長範囲内の光を吸収可能な第
１のフォトディテクタ素子（１２）と第２の波長範囲内
の光を吸収可能な第２のフォトディテクタ素子（１３）
とを有する二色フォトディテクタ（５）を含み、前記第
１のフォトディテクタ素子は前記第２のフォトディテク
タ素子の上に高架された関係にあり、前記第１のフォト
ディテクタ素子は前記第２のフォトディテクタ素子から
電気的に絶縁されていることを特徴とする、ディジタル
イメージセンサ（１０）。 【００５３】２．基板（６０）をさらに含み、前記第２
のフォトディテクタ素子（１３）が前記基板中に形成さ
れている、上記１に記載のディジタルイメージセンサ。 【００５４】３．前記第１のフォトディテクタ素子（１
２）と前記第２のフォトディテクタ素子（１３）との間
に誘電体層（５０）をさらに含み、前記誘電体層は前記
第１のフォトディテクタ素子を前記第２のフォトディテ
クタ素子から電気的に絶縁する、上記２に記載のディジ
タルイメージセンサ。 【００５５】４．前記第１のフォトディテクタ素子（１
２）は、前記第１の波長範囲内の光を吸収すると共に前
記第２の波長範囲内の光を通過させるように選択された
厚さを持つアモルファスシリコンから形成されており、
前記第２のフォトディテクタ素子（１３）は、前記第１
のフォトディテクタ素子が通過させた前記第２の波長範
囲内の光を検出する、上記１に記載のディジタルイメー
ジセンサ。 【００５６】５．前記第１のフォトディテクタ素子（１
２）と前記第２のフォトディテクタ素子（１３）を駆動
するための回路をさらに含み、前記第１のフォトディテ
クタ素子は前記回路の上に高架された関係にある、上記
１に記載のディジタルイメージセンサ。 【００５７】６．二色フォトディテクタ（５）のアレイ
のデモザイク方法であって、前記二色フォトディテクタ
のアレイ内にある４個の二色フォトディテクタから成る
ブロックから８つのカラー値を生成するステップ（ステ
ップ５２０）であって、前記４個の二色フォトディテク
タから成るブロック内にある各二色フォトディテクタ
は、下部フォトディテクタ素子（１３）の上に高架され
た関係にありかつ電気的に絶縁された上部フォトディテ
クタ素子（１２）を含み、前記４個の二色フォトディテ
クタのブロック内にある二色フォトディテクタの第１の
対は前記８つのカラー値のうち受光した第１の波長範囲
内の光に関連する２つのカラー値と、前記８つのカラー
値のうち受光した第２の波長範囲内の光に関連する２つ
のカラー値とを生成し、前記４個の二色フォトディテク
タのブロック内にある二色フォトディテクタの第２の対
は前記８つのカラー値のうち受光した第３の波長範囲内
の光に関連する２つのカラー値と、前記８つのカラー値
のうち受光した第４の波長範囲内の光に関連する２つの
カラー値とを生成し、前記８つのカラー値は第１の色空
間を構成する、ステップと、前記第１の色空間を第２の
色空間へと変換するための色変換マトリクスを求めるス
テップ（ステップ５００と５１０）であって、前記第２
の色空間は、輝度色平面、第１のクロミナンス色平面、
及び第２のクロミナンス色平面を含む、ステップと、前
記８つのカラー値を前記色変換マトリクスに適用するこ
とにより、前記８つのカラー値を、前記輝度色平面内の
４つの輝度値、前記第１のクロミナンス色平面内の１つ
の第１のクロミナンスカラー値、及び前記第２のクロミ
ナンス色平面内の１つの第２のクロミナンスカラー値へ
と変換するステップ（ステップ５３０、５４０）と、を
含むデモザイク方法。 【００５８】７．前記適用するステップが、前記８つの
カラー値を前記色変換マトリクスに適用することによ
り、前記４つの輝度値、前記１つの第１のクロミナンス
値及び前記１つの第２のクロミナンス値に対応する６つ
の未知の値を含む８つの式を得るステップ（ステップ５
３０）と、最小二乗法を用いて前記８つの式を解いて、
前記６つの未知の値を求めるステップ（ステップ５４
０）と、をさらに含む、上記６に記載のデモザイク方
法。 【００５９】８．前記色変換マトリクスを求めるステッ
プが、前記第１の色空間と前記第２の色空間との間で変
換を行うための基本色変換マトリクスを求めるステップ
であって、前記基本色変換マトリクスは、前記第１、第
２、第３及び第４の波長範囲からのカラー値を、前記輝
度値、前記１つの第１のクロミナンス値及び前記１つの
第２のクロミナンス値へと変換するものである、ステッ
プ（ステップ５００）と、前記基本色変換マトリクス
を、前記８つのカラー値を前記４つの輝度値、前記１つ
の第１のクロミナンス値、及び前記１つの第２のクロミ
ナンスカラー値へと変換可能な前記色変換マトリクスへ
と拡張するステップ（ステップ５１０）と、をさらに含
む、上記７に記載のデモザイク方法。 【００６０】９．行及び列に配列された複数の二色フォ
トディテクタ（５）のフォトディテクタ位置を持つイメ
ージセンサ（１０）から得られたディジタルイメージを
デモザイクする方法であって、前記二色フォトディテク
タの各々が、下部フォトディテクタ素子（１３）から高
架された関係にありかつ電気的に絶縁された上部フォト
ディテクタ素子（１２）を含み、前記イメージセンサが
４つの異なる波長範囲内の光に関連するカラー値を生成
するものであるとき、前記方法が、前記４つの異なる波
長範囲内の光に関連するカラー値のセットを受け取るス
テップ（ステップ７００）と、前記４つの異なる波長範
囲のうち第１及び第２の波長範囲に関連する前記カラー
値のセット内の第１及び第２のカラー値を生成する選択
されたフォトディテクタ位置について、前記カラー値の
セットを使用して前記４つの異なる波長範囲の第３の波
長範囲に関連する水平方向の勾配及び垂直方向の勾配を
求めるステップであって、前記水平方向の勾配及び垂直
方向の勾配が前記フォトディテクタ位置の前記行及び列
の配置に対応する、ステップ（ステップ７２０）と、前
記選択されたフォトディテクタ位置について前記第３の
波長範囲内の光に関連する欠損した第３のカラー値を、
前記水平方向の勾配及び垂直方向の勾配を用いて補間す
るステップ（ステップ７３０）と、を含むデモザイク方
法。 【００６１】１０．前記補間するステップ（ステップ７
３０）が、前記水平方向の勾配と、前記第３の波長範囲
内の光に関連し、かつ前記選択されたフォトディテクタ
位置に垂直方向に隣接するフォトディテクタ位置に関連
する前記カラー値のセット内のカラー値の平均とを乗じ
るステップと、前記垂直方向の勾配と、前記第３の波長
範囲内の光に関連し、かつ前記選択されたフォトディテ
クタ位置に水平方向に隣接するフォトディテクタ位置に
関連する前記カラー値のセット内のカラー値の平均とを
乗じるステップと、をさらに含む、上記９に記載のデモ
ザイク方法。 【００６２】当業者には明らかなように、本明細書に述
べた新たな概念は幅広いアプリケーションに対して変更
及び改変可能である。したがって、本発明は記載した実
施形態における特定の教示内容に限られない。
ラーイメージセンサに関し、より具体的には単一のフォ
トディテクタ（光検出器）位置で２つの色を検出可能な
二色フォトディテクタ及び二色フォトディテクタアレイ
のデモザイク法（demosaicing）に関する。 【０００２】 【従来の技術】ディジタルカラーイメージセンサには、
ＣＣＤ（電化結合素子）とＣＭＯＳ−ＡＰＳ（相補型金
属酸化物半導体−アクティブフォトディテクタセンサ）
の主に二種類がある。通常、どちらのタイプのセンサ
も、行及び列に配置されるかまたは他のパターンに配置
されるフォトディテクタのアレイ（例えばピクセル）を
含んでおり、これによって画像中の色をサンプリングす
る。各フォトディテクタは、１つまたは複数の知覚色に
対応する１つ又は複数の波長範囲内の光の強度を測定す
る。 【０００３】加えて、両タイプのセンサとも、参照によ
り本明細書に援用されるＢａｙｅｒによる従来例（以
下、単に「ベイヤー」と呼ぶ）のようなカラーフィルタ
アレイ（ＣＦＡ）を含むことができる（特許文献１参
照）。各フォトディテクタは、ベイヤーのＣＦＡを用い
て、赤、緑又は青に対応する１つの波長範囲のみを検出
する。単一のフォトディテクタにおいて三原色全てのセ
ンサ値を得るには、隣接するフォトディテクタからカラ
ーセンサ値を補間しなければならない。この補間処理は
デモザイク処理と呼ばれる。デモザイク処理された画像
は、ＣＦＡを用いて適合されたイメージセンサにおいて
は、本質的に存在する色のアンダーサンプリングによる
カラーエイリアシングアーチファクト（歪み）を呈する
ことが多い。カラーエイリアシングアーチファクトに関
連する問題の一部を解決するために、他のセンサ設計が
提案されている。 【０００４】例えば、ＣＦＡを用いない他のセンサ設計
の１つとして、同じフォトディテクタ位置において特殊
なプリズムにより三原色を分割して補足するものがあ
り、これは、参照により本明細書に援用されるRichard
F. Lyonによる従来例に記載されている（非特許文献１
参照）。しかしながら、この手法ではプリズムや光学部
品のコストが非常に高くなる。加えて、３つのセンサと
光学部品のアライメントをフォトディテクタの幅の数分
の一よりも小さな単位（３μｍ程度）でＸ、Ｙ方向に手
動で行わなければならず、多くの画像形成アプリケーシ
ョンには適用することができない。 【０００５】参照により本明細書に援用されるStiebig
らによる従来例及びMerillによる従来例は、いずれも他
のタイプのセンサ設計について記載している（特許文献
２及び特許文献３参照）。Stiebigら及びMerillのセン
サは、３つの別個のカラーフォトダイオードを重ね合わ
せ、これらのフォトダイオードを電気的に接続すること
により、単一の空間位置で三原色全てを検出することが
できる１つのフォトディテクタを形成するというもので
ある。しかしながら、Stiebigら及びMerillのセンサは
共通の陽極（アノードコモン）を持っているため、１つ
の三色フォトディテクタ位置から出力される電流は２つ
以上のフォトダイオード電流の組み合わせということに
なる（すなわち、フォトディテクタが相互に電気的に絶
縁されていない）。したがって、３つのフォトダイオー
ド全てから出力される電流の差を測定するには相当な量
の回路が必要となり、コスト的にも面積的にも許容され
ない場合がある。 【０００６】さらに他のセンサ設計として、参照により
本明細書に援用されるK. M. Findlaterらによる従来例
がある（非特許文献２参照）。Findlaterらの論文は、S
tiebigら及びMerillにより記載された「三色フォトディ
テクタ」のかわりに、「二色フォトディテクタ」につい
て述べている。Findlaterのセンサにおいては、各フォ
トディテクタはバルクシリコン中に存在する背中合わせ
の（back to back）２つのフォトダイオードを含んでい
る。さらに、Findlaterのセンサは非ベイヤーのカラー
フィルタアレイ（ＣＦＡ）モザイクに覆われている。し
たがって、２つのフォトディテクタ毎に４つの異なるカ
ラー値が抽出されるのである。 【０００７】 【特許文献１】米国特許第３，９７１，０６５号 【特許文献２】米国特許第５，９９８，８０６号 【特許文献３】米国特許第５，９６５，８７５号 【非特許文献１】Richard F. Lyon, “Prism-Based Col
or Separation for Professional DigitalPhotograph
y”, Proceedings of 2000 PICS Conference, IS&T, p.
50-54 【非特許文献２】K. M. Findlater et al., “Buried D
ouble Junction Photo-detector Using Green and Mage
nta Filters”, 1999 IEEE Workshop on CCDs and Adva
nced ImageSensors, p.60-64 【０００８】 【発明が解決しようとする課題】Findlaterの設計は従
来のベイヤーパターンと比べるとより正確に色を再生で
きるが、センサ各々の吸収スペクトル（すなわち、感度
領域）が固定されているため、２つのバルクフォトダイ
オードの色の分離は悪い。加えて、Findlaterの設計で
は、各フォトディテクタの２つのフォトダイオード及び
全ての回路がバルクシリコン中に集積化されているた
め、フォトディテクタ自体が大きく、領域及びコストの
両方が増大することになる。そこで、Findlaterの設計
と比べて色分離が改善され面積が小さく、従来の三色セ
ンサ設計と比べてフォトディテクタ間の電気的絶縁性が
改善された、各フォトディテクタ位置において２つ以上
の色をサンプリングすることができる新たなセンサ設計
が必要とされている。 【０００９】 【課題を解決するための手段】本発明は、バルクシリコ
ン中にある下部フォトディテクタ素子と、その下部フォ
トディテクタ素子の上に高架された上部フォトディテク
タ素子とを有する二色フォトディテクタを含むセンサを
提供する。これにより、センサは各フォトディテクタ位
置において２つ以上の色をサンプリングすることができ
る。各フォトディテクタ素子の色感度は、上部フォトデ
ィテクタ素子の吸収曲線、及び上部フォトディテクタ素
子とカラーフィルタアレイ（使用する場合）の厚さによ
り決まる。 【００１０】一部の実施形態においては、高架された上
部フォトディテクタ素子は、上部フォトディテクタ素子
及び下部フォトディテクタ素子の両方に必要とされる回
路上に配置することができる。他の実施形態において
は、カラーフィルタアレイを用いることなく２つのカラ
ーフォトディテクタアレイ内の色を正確にサンプリング
するために、隣接する２つのフォトディテクタの上部フ
ォトディテクタ素子が２つの異なる厚さにされる。これ
により、アレイ内の二色フォトディテクタ対のそれぞれ
が４つの異なる色（例えば、青と青の補色及び赤と赤の
補色）を検出することができる。 【００１１】他の実施形態においては、圧縮・保存用に
生のカラー値を処理するために、二色フォトディテクタ
の２ｘ２ブロックに色変換マトリクスを使用して４色
（８つのカラー値）をＹＣｂＣｒ（４：１：１）等の新
たな色空間に変換することができる。したがって、隣接
画素処理（neighborhood operation）を用いたデモザイ
クにより各フォトディテクタ位置において全４色を補間
し、その後ＹＣｂＣｒ（４：１：１）色空間へと変換す
る代わりに、隣接画素処理を全く必要とせず、生のカラ
ー値自体からＹＣｂＣｒ（４：１：１）色空間へと直接
変換できる、より簡単なデモザイク方法を実施すること
ができる。 【００１２】さらに、二色フォトディテクタ中の２つの
フォトディテクタ素子は互いから電気的に絶縁されてい
るため、各フォトディテクタ素子のダイナミックレンジ
が向上する。２つのフォトディテクタ素子間の電気的絶
縁により、２つのフォトディテクタ素子間の色分離を改
善することもできる。また、一方のフォトディテクタ素
子をもう一方のフォトディテクタ素子及び回路の上に高
架されたことにより、従来の二色センサ設計と比べて、
二色フォトディテクタを製作するための空間を小さくす
ることができる。 【００１３】本発明は、上述した特徴及び利点に付加さ
れる、又はこれらに代わる他の特徴及び利点を持つ実施
形態をも提供する。これらの特徴及び利点の多くは、図
面と共に以下の説明を参照することにより明らかとな
る。 【００１４】 【発明の実施の形態】実施形態を参照して本発明の新た
な教示内容を説明する。しかしながら、これらの実施形
態は、本発明に含まれる教示内容の多数の有利な用法の
うちの一部のみを提供するものであることを理解された
い。 【００１５】図１は、ディジタルイメージセンサ１０に
ついて、二色フォトディテクタ（例えば、ピクセル）５
の２ｘ２ブロックの一例を示した図である。図２におい
て、４つのフォトディテクタ領域内に８個のフォトディ
テクタ素子（例えばフォトダイオード、フォトコンダク
タまたはフォトトランジスタ）がある。各フォトディテ
クタは、それぞれ異なる色を検出する２個のフォトディ
テクタ素子を含む二色フォトディテクタ５である。二色
フォトディテクタ５の２ｘ２ブロック内には、２種類の
二色フォトディテクタが存在する。二色フォトディテク
タの一方のタイプは、それぞれ第１及び第２の波長範囲
内の光（すなわち、赤の補色及び赤）を受けてこれを吸
光し、この結果得られる電荷を集めることができる第１
及び第２のフォトディテクタ素子１２、１３を有する。
二色フォトディテクタのもう一方のタイプは、それぞれ
第３及び第４の波長範囲内の光（すなわち、青及び青の
補色）を受けてこれを吸光し、この結果得られる電荷を
集めることができる第３及び第４のフォトディテクタ素
子２１、２２を有する。本技術分野で理解されているよ
うに、ここで言うフォトディテクタ素子とは、フォトコ
ンダクタまたはフォトダイオードと考えることができ
る。本明細書ではフォトディテクタ素子１２及び１３が
第１及び第２の波長範囲を吸収し、他の二色フォトディ
テクタ素子２１及び２２が第３及び第４の波長範囲（例
えば赤色及び青色の波長）を吸収するものとして説明し
ているが、センサ１０の設計及び用途に応じて、どのフ
ォトディテクタ素子も任意の波長範囲を吸収可能である
ことは理解されよう。さらに、フォトディテクタ素子１
２及び１３に吸収されるそれぞれの波長範囲がフォトデ
ィテクタ素子２１及び２２に吸収される波長範囲と部分
的に重なっていても良く、センサ１０の感度に大きい影
響を与えないことも理解されよう。 【００１６】適正な厚さを持つアモルファスシリコン
（αＳｉ：Ｈ）（点線で図示）の単層が、各二色フォト
ディテクタの上部フォトディテクタ素子１２又は２１と
して働く。二色フォトディテクタの下部フォトディテク
タ素子１３又は２２は、バルクシリコン（実線で図示）
中にある。図からわかるように、各二色フォトディテク
タの上部フォトディテクタ素子１２又は２１は、各二色
フォトディテクタの下部フォトディテクタ素子１３又は
２２に対して「高架された（elevated）」位置関係（す
なわち、下部フォトディテクタ素子の上部に空間をあけ
て置かれる関係）にある。上部フォトディテクタ素子
は、アモルファスシリコン以外の材料で形成できること
に注意されたい。 【００１７】しかしながら、各二色フォトディテクタの
上部フォトディテクタ素子にアモルファスシリコンを用
いると、上部フォトディテクタ素子１２、２１と下部フ
ォトディテクタ素子１３、２２を独立して制御すること
ができる。さらに、アモルファスシリコンの利用によ
り、アモルファスシリコン層の厚さを介して色応答（co
lor response）の調整が可能となる。各二色フォトディ
テクタの色応答を調整するためには、上部フォトディテ
クタ素子１２又は２１のアモルファスシリコン層の厚さ
を変化させれば良い。例えば、薄いアモルファスシリコ
ン層を上部フォトディテクタ素子１２に使用すると青色
のみを吸収し、その下にあるバルクシリコン内の下部フ
ォトディテクタ素子１３は青の補色（例えば黄色）を吸
収するようになる。一方、上部フォトディテクタ素子１
２のアモルファスシリコン層を厚くすると、上部フォト
ディテクタ素子１２は赤色の補色（例えばシアン）を抽
出し、バルクシリコン内の下部フォトディテクタ素子１
３は赤色を吸収するようになる。 【００１８】種々のアモルファスシリコン層の厚さにつ
いて、波長に対する吸収率を図３に示す。図３から明ら
かなように、５０００Å厚のアモルファスシリコン層は
スペクトルの青色部分（波長５００ｎｍ付近）を１００
％、緑色部分（波長約５７５から６５０ｎｍ）の４０か
ら８０％、そして赤色部分（波長約６７５から７５０ｎ
ｍ）の２０％未満を吸収する。 【００１９】図１に示した例には、カラーフィルタが示
されていない。しかしながら、二色フォトディテクタ５
の応答を調節するためにカラーフィルタを用いても良い
ことは理解されよう。例えば、二色フォトディテクタ５
の１タイプはマゼンタフィルタを含んでも良く、二色フ
ォトディテクタ５の別のタイプはシアンフィルタを含ん
でも良い。マゼンタフィルタは、スペクトルのうち赤色
及び青色部分のみを２つのフォトディテクタ（すなわち
１２及び１３）へと通す。スペクトルの青色部分は上部
フォトディテクタ素子１２により吸収され、スペクトル
の赤色部分は下部フォトディテクタ素子１３により吸収
される。シアンフィルタは、スペクトルのうち青色及び
緑色部分のみを２つのフォトディテクタ（すなわち２１
及び２２）へと通す。スペクトルの青色部分は上部フォ
トディテクタ２１により吸収され、スペクトルの緑色部
分は下部フォトディテクタ素子２２により吸収される。
しかしながら、センサ１０に求められる色空間及び色サ
ンプリングに応じて、他のカラーフィルタも使用できる
ことは理解されよう。 【００２０】図２は、図１に示した例示的な二色フォト
ディテクタ５の断面図である。カラーフィルタ３０は酸
化インジウム錫のような透明金属導体４０上にある。透
明金属導体４０の下には、高架されたフォトダイオード
１２があるが、これはＰ層１２ａ、Ｉ層１２ｂ及びＮ層
１２ｃを含む。逆バイアスがかけられた場合、高架され
たフォトダイオード１２は受光すると電荷を収集する。 【００２１】二酸化シリコン（ＳｉＯ２）等の誘電体５
０（層間金属誘電体として図示）は、高架されたフォト
ダイオードをバルクシリコンフォトダイオード１３から
分離している。誘電体５０は、２つのフォトダイオード
１２及び１３の各々から出る電流を分離するために（そ
してこれによりフォトダイオード間を電気的に絶縁する
ために）、フォトダイオード１２及び１３の陽極を分離
する。バルクシリコンフォトダイオード１３は、シリコ
ン基板６０中に形成される。Ｐ型シリコン基板６０中に
浅いＮ＋領域が形成され、これにより高架されたフォト
ダイオード１２が検出する光の波長よりも長い波長を持
つ光が検出される。これに加え、図示していないが、バ
ルクシリコンフォトダイオード１３に隣接して、高架さ
れたフォトダイオード１２とバルクシリコンフォトダイ
オード１３を駆動する回路がバルクシリコン内に存在す
る。 【００２２】二色フォトディテクタアレイから生成され
た生のカラー値を圧縮・保存する目的で処理するため
に、いくつかの異なる種類のデモザイク処理及び色空間
変換アルゴリズムを元の生のカラー値に適用することが
できる。カラーフィルタを用いた場合、各フォトディテ
クタ位置において３つのカラー値（すなわち赤色、青色
及び緑色、あるいはシアン、マゼンタ及びイエロー）を
補間するために、周知のデモザイク技術のいずれをも採
用することができる。各フォトディテクタは三色のうち
の二色を検出するので、デモザイク処理の結果は従来の
ベイヤーＣＦＡパターンよりも正確なものとなるはずで
ある。生のカラー値及び補間カラー値は、既知の変換処
理のいずれかによって他の色空間へと変換することがで
きる。 【００２３】カラーフィルタを使用しない場合、アレイ
内の二色フォトディテクタ対の各々は、４つの異なる色
（すなわち、青と青の補色及び赤と赤の補色）を検出す
る。図１に示したような二色フォトディテクタの２ｘ２
ブロックを処理するためには、４つのカラー値を補間
し、さらに例えばＪＰＥＧ（Joint Photographic Exper
t Group）を用いてカラー値を圧縮に適した色空間へと
変換するための、新たなデモザイク技術が必要となる。
ＪＰＥＧ技術については、参照により本明細書に援用さ
れる、W. Pennebaker及びJ. Mitchellによる“ＪＰＥ
Ｇ：Still Image Data Compression Standard”（New Y
ork: Van Nostrand Reinhold, 1993）に記載されてい
る。 【００２４】図４Ａ及び図４Ｂに示すように、一実施形
態おいては、２ｘ２ブロックの二色フォトディテクタ５
が生成した８個の生のカラー値ａ１２、ａ２２、
ｂ１１、ｂ ２２、ｃ１２、ｃ２１、ｄ１２及びｄ
２１が、ＹＣｂＣｒ（４：１：１）等のカラー値
ｙ１１、ｙ１２、ｙ２１、ｙ２２、ｃｂ及びｃｒを持つ
新しい色空間へとデモザイクなしで直接的に変換され
る。以下では、４つの異なる色（すなわち、赤と赤の補
色及び青と青の補色）を、Ａ、Ｂ、Ｃ及びＤとして示
す。従って、図４Ａに示した２ｘ２ブロックの二色フォ
トディテクタ５の構成は以下の通りとなる。 【００２５】左上のフォトディテクタ：基底関数Ａ、係
数ａ１１、及び基底関数Ｂ、係数ｂ１ １ 右上のフォトディテクタ：基底関数Ｃ、係数ｃ１２、及
び基底関数Ｄ、係数ｄ１ ２ 左下のフォトディテクタ：基底関数Ｃ、係数ｃ２１、及
び基底関数Ｄ、係数ｄ２ １ 右下のフォトディテクタ：基底関数Ａ、係数ａ２２、及
び基底関数Ｂ、係数ｂ２ ２ 【００２６】図４Ｂに示すように、上記の８個のカラー
値から６個の新たなカラー値ｙ１１、ｙ１２、ｙ２１、
ｙ２２、ｃｂ及びｃｒが求められる。より具体的には、
求める必要がある新たなカラー値は以下の通りである。 【００２７】 左上のフォトディテクタ：基底関数Ｙ、係数ｙ１１ 右上のフォトディテクタ：基底関数Ｙ、係数ｙ１２ 左下のフォトディテクタ：基底関数Ｙ、係数ｙ２１ 右下のフォトディテクタ：基底関数Ｙ、係数ｙ２２ フォトディテクタ群の中心：基底関数Ｃｂ、係数ｃｂ；
基底関数Ｃｒ、係数ｃｒ 【００２８】図５は、図４Ａ及び図４Ｂに示した直接逆
デモザイク法（direct inversion demosaicing）を実施
するステップの一例を説明するフローチャートである。
最初に、ＡＢＣＤ空間からＹＣｂＣｒ空間への色変換マ
トリクスが生成される（ステップ５００）。色変換マト
リクスを得る最も単純な方法は、「最大無知法（maximu
m ignorance method）」であり、これは基底関数（例え
ば色）のスペクトル感度曲線しか必要としないものであ
る。最大無知法を使用して色変換マトリクスを得るに
は、単純な擬似逆行列計算が行われる。例えば、最大無
知法を実施した結果、以下の４ｘ３マトリクス
（［Ｅ］）により４つの色Ａ、Ｂ、Ｃ及びＤをＹ、Ｃｂ
及びＣｒカラー値へと変換することができる。 【００２９】 【数１】 【００３０】人の目は、８つのカラー値を生成する２ｘ
２ブロックの二色フォトディテクタに対して輝度よりも
クロミナンス（chrominance）の高周波変化に対する感
度が低いため、次式のように、上述のマトリクスを拡張
したものによってこれらの８つの値を６つの値（例えば
４つのＹ値、１つのＣｒ値、１つのＣｘ値）へと変換す
ることができる（ステップ５１０）。 【００３１】 【数２】 【００３２】生のカラー値を取得すると（ステップ５２
０）、これらの生のカラー値が上記マトリクスへと適用
される（ステップ５３０）。例えば、図４Ａの左上の二
色フォトディテクタの生のカラー値を上記マトリクスに
適用すると、次式が得られる。 【００３３】 【数３】 （式１） （式２） 【００３４】図４Ａの右上の二色フォトディテクタの生
のカラー値を上記拡張マトリクスに適用すると、次式が
得られる。 【００３５】 【数４】 （式３） （式４） 【００３６】図４Ａにの左下の二色フォトディテクタの
生のカラー値を上記拡張マトリクスに適用すると、次式
が得られる。 【００３７】 【数５】 （式５） （式６） 【００３８】最後に、図４Ａの右下の二色フォトディテ
クタの生のカラー値を上記拡張マトリクスに適用する
と、次式が得られる。 【００３９】 【数６】 （式７） （式８） 【００４０】上記８つの式は６つの未知の値（ｙ１１、
ｙ１２、ｙ２１、ｙ２２、ｃｂ、ｃ ｒ）を含む。これら
の８つの式は、最小二乗法を使用して解くことができ、
６つの未知の値が求められる（ステップ５４０）。ここ
で説明したＹＣｒＣｂのかわりに、Ｌａｂ（Ｌ＊ａ＊ｂ
＊）等の他の色空間を使用しても良いことは理解されよ
う。また、あらゆる新たな色空間に対して値が４：１：
１でサンプリングされる点を理解されたい。すなわち、
成分の１つが４つの値を持ち、他の２つがそれぞれ１つ
の値を持つということである。 【００４１】デモザイクのかわりに、各フォトディテク
タ位置において四色全てを補間し、その後生のカラー値
自体からＹＣｂＣｒ（４：１：１）色空間へと変換する
隣接画素処理を用いても良い。このような圧縮前の画像
処理はセンサ自体で実施することが可能であり、これに
よりセンサが出力しなければならないデータ量を削減す
ることができる。 【００４２】他の実施形態では、二色フォトディテクタ
アレイにより生成される生のカラー値にエッジ加重補間
（edge weighted interpolation）を適用することがで
きる。画像内には光の強度が急峻に変化するエッジが多
数ある。シャープな出力画像を生成するためには、エッ
ジをまたいだ色補間よりもエッジに沿った色補間に向け
られるべきである。各フォトディテクタ位置についてエ
ッジをまたぐ色補間を回避するために、図７に関連して
以下に説明するエッジ加重デモザイク法により、そのフ
ォトディテクタがエッジにあるか否かが判断され、もし
そうであればエッジの向きが推定される。本明細書にお
いて「エッジ」という語は、強度変化が急峻な画像特徴
のオブジェクト又は他の境界に関連する値を生成するフ
ォトディテクタを指す。「エッジ」という語は、画像の
４つの自然境界の１つに位置するフォトディテクタ（す
なわち、センサ自体の端部に位置するフォトディテク
タ）を意味するものではない。 【００４３】図６に示すように、二色フォトディテクタ
アレイにおいて、色Ｃ及びＤを検出する二色フォトディ
テクタ５は、色Ａ及びＢを検出する４つの二色フォトデ
ィテクタ５によって水平方向及び垂直方向に囲まれてい
る。例えば、色Ａの値をＣ／Ｄフォトディテクタ位置で
補間するために、次式を適用することができる。 【００４４】 【数７】 （式９） ここで、Ａｘ及びＡｙは水平方向及び垂直方向における
勾配である。すなわち、以下の通りである。 【００４５】 【数８】 （式１０） （式１１） 【００４６】エッジ加重デモザイク処理は、最も変化の
小さい方向において近隣からの補間を行って、エッジを
ぼやけさせるリスクを最小化するので、他よりも大きい
勾配の１つがあると、反対側のフォトディテクタ対によ
り大きい加重が割り当てられる。例えば、水平方向の勾
配が垂直方向の勾配よりも大きい場合、ＡｘよりもＡ ｙ
により大きな加重が割り当てられる。Ｃ／Ｄフォトディ
テクタ位置におけるＢ値の補間にも同様の式を使用する
ことができる。 【００４７】図７はエッジ加重デモザイク法の一例を示
すフローチャートである。生のカラー値が取得されると
（ステップ７００）、各二色フォトディテクタ位置につ
いて２つのカラー値が補間される（ステップ７１０）。
２つの欠損（missing）カラー値をフォトディテクタ位
置から補間する前に、上記の式１０及び１１を使用して
水平方向の勾配及び垂直方向の勾配が求められる（ステ
ップ７２０）。その後、上記式９を用いて２つの欠損値
のエッジ加重補間が実施される（ステップ７３０）。各
フォトディテクタ位置の欠損フォトディテクタ値は、全
て同様の方法で計算される（ステップ７１０からステッ
プ７３０）。 【００４８】各二色フォトディテクタ位置について４つ
のカラー値が揃うと（ステップ７１０）、各二色フォト
ディテクタ位置の４つのカラー値が以下の色変換マトリ
クス（上述した変換マトリクスと同一のもの）に適用さ
れ、各二色フォトディテクタの４つの値がＹＣｂＣｒ等
の他の色空間へと変換される（ステップ７４０）。 【００４９】 【数９】 ここで、マトリクス［Ｅ］は、基底関数（例えば色）の
スペクトル感度曲線しか必要としない最大無知法から導
出される。マトリクスを適用した結果、各二色フォトデ
ィテクタ位置はその位置に関連するＹ値、Ｃｂ値及びＣ
ｒ値を持つことになる。当分野において周知の通り、Ｙ
ＣｂＣｒ（４：１：１）色空間への変換を完了するため
にはＣｂ及びＣｒ値の追加サブサンプリングが必要であ
る（ステップ７５０）。 【００５０】エッジ加重デモザイク法は、直接逆デモザ
イク法よりもシャープな画像を生成することができる
が、エッジ加重デモザイク法は２ｘ２フォトディテクタ
上の閉じたオペレーションではない。従って、エッジ加
重デモザイク法で画像をデモザイクするためには何らか
のバッファリング（すなわち、２ラインバッファリン
グ）が必要となる。 【００５１】本発明には例として以下の実施形態が含ま
れる。 【００５２】１．第１の波長範囲内の光を吸収可能な第
１のフォトディテクタ素子（１２）と第２の波長範囲内
の光を吸収可能な第２のフォトディテクタ素子（１３）
とを有する二色フォトディテクタ（５）を含み、前記第
１のフォトディテクタ素子は前記第２のフォトディテク
タ素子の上に高架された関係にあり、前記第１のフォト
ディテクタ素子は前記第２のフォトディテクタ素子から
電気的に絶縁されていることを特徴とする、ディジタル
イメージセンサ（１０）。 【００５３】２．基板（６０）をさらに含み、前記第２
のフォトディテクタ素子（１３）が前記基板中に形成さ
れている、上記１に記載のディジタルイメージセンサ。 【００５４】３．前記第１のフォトディテクタ素子（１
２）と前記第２のフォトディテクタ素子（１３）との間
に誘電体層（５０）をさらに含み、前記誘電体層は前記
第１のフォトディテクタ素子を前記第２のフォトディテ
クタ素子から電気的に絶縁する、上記２に記載のディジ
タルイメージセンサ。 【００５５】４．前記第１のフォトディテクタ素子（１
２）は、前記第１の波長範囲内の光を吸収すると共に前
記第２の波長範囲内の光を通過させるように選択された
厚さを持つアモルファスシリコンから形成されており、
前記第２のフォトディテクタ素子（１３）は、前記第１
のフォトディテクタ素子が通過させた前記第２の波長範
囲内の光を検出する、上記１に記載のディジタルイメー
ジセンサ。 【００５６】５．前記第１のフォトディテクタ素子（１
２）と前記第２のフォトディテクタ素子（１３）を駆動
するための回路をさらに含み、前記第１のフォトディテ
クタ素子は前記回路の上に高架された関係にある、上記
１に記載のディジタルイメージセンサ。 【００５７】６．二色フォトディテクタ（５）のアレイ
のデモザイク方法であって、前記二色フォトディテクタ
のアレイ内にある４個の二色フォトディテクタから成る
ブロックから８つのカラー値を生成するステップ（ステ
ップ５２０）であって、前記４個の二色フォトディテク
タから成るブロック内にある各二色フォトディテクタ
は、下部フォトディテクタ素子（１３）の上に高架され
た関係にありかつ電気的に絶縁された上部フォトディテ
クタ素子（１２）を含み、前記４個の二色フォトディテ
クタのブロック内にある二色フォトディテクタの第１の
対は前記８つのカラー値のうち受光した第１の波長範囲
内の光に関連する２つのカラー値と、前記８つのカラー
値のうち受光した第２の波長範囲内の光に関連する２つ
のカラー値とを生成し、前記４個の二色フォトディテク
タのブロック内にある二色フォトディテクタの第２の対
は前記８つのカラー値のうち受光した第３の波長範囲内
の光に関連する２つのカラー値と、前記８つのカラー値
のうち受光した第４の波長範囲内の光に関連する２つの
カラー値とを生成し、前記８つのカラー値は第１の色空
間を構成する、ステップと、前記第１の色空間を第２の
色空間へと変換するための色変換マトリクスを求めるス
テップ（ステップ５００と５１０）であって、前記第２
の色空間は、輝度色平面、第１のクロミナンス色平面、
及び第２のクロミナンス色平面を含む、ステップと、前
記８つのカラー値を前記色変換マトリクスに適用するこ
とにより、前記８つのカラー値を、前記輝度色平面内の
４つの輝度値、前記第１のクロミナンス色平面内の１つ
の第１のクロミナンスカラー値、及び前記第２のクロミ
ナンス色平面内の１つの第２のクロミナンスカラー値へ
と変換するステップ（ステップ５３０、５４０）と、を
含むデモザイク方法。 【００５８】７．前記適用するステップが、前記８つの
カラー値を前記色変換マトリクスに適用することによ
り、前記４つの輝度値、前記１つの第１のクロミナンス
値及び前記１つの第２のクロミナンス値に対応する６つ
の未知の値を含む８つの式を得るステップ（ステップ５
３０）と、最小二乗法を用いて前記８つの式を解いて、
前記６つの未知の値を求めるステップ（ステップ５４
０）と、をさらに含む、上記６に記載のデモザイク方
法。 【００５９】８．前記色変換マトリクスを求めるステッ
プが、前記第１の色空間と前記第２の色空間との間で変
換を行うための基本色変換マトリクスを求めるステップ
であって、前記基本色変換マトリクスは、前記第１、第
２、第３及び第４の波長範囲からのカラー値を、前記輝
度値、前記１つの第１のクロミナンス値及び前記１つの
第２のクロミナンス値へと変換するものである、ステッ
プ（ステップ５００）と、前記基本色変換マトリクス
を、前記８つのカラー値を前記４つの輝度値、前記１つ
の第１のクロミナンス値、及び前記１つの第２のクロミ
ナンスカラー値へと変換可能な前記色変換マトリクスへ
と拡張するステップ（ステップ５１０）と、をさらに含
む、上記７に記載のデモザイク方法。 【００６０】９．行及び列に配列された複数の二色フォ
トディテクタ（５）のフォトディテクタ位置を持つイメ
ージセンサ（１０）から得られたディジタルイメージを
デモザイクする方法であって、前記二色フォトディテク
タの各々が、下部フォトディテクタ素子（１３）から高
架された関係にありかつ電気的に絶縁された上部フォト
ディテクタ素子（１２）を含み、前記イメージセンサが
４つの異なる波長範囲内の光に関連するカラー値を生成
するものであるとき、前記方法が、前記４つの異なる波
長範囲内の光に関連するカラー値のセットを受け取るス
テップ（ステップ７００）と、前記４つの異なる波長範
囲のうち第１及び第２の波長範囲に関連する前記カラー
値のセット内の第１及び第２のカラー値を生成する選択
されたフォトディテクタ位置について、前記カラー値の
セットを使用して前記４つの異なる波長範囲の第３の波
長範囲に関連する水平方向の勾配及び垂直方向の勾配を
求めるステップであって、前記水平方向の勾配及び垂直
方向の勾配が前記フォトディテクタ位置の前記行及び列
の配置に対応する、ステップ（ステップ７２０）と、前
記選択されたフォトディテクタ位置について前記第３の
波長範囲内の光に関連する欠損した第３のカラー値を、
前記水平方向の勾配及び垂直方向の勾配を用いて補間す
るステップ（ステップ７３０）と、を含むデモザイク方
法。 【００６１】１０．前記補間するステップ（ステップ７
３０）が、前記水平方向の勾配と、前記第３の波長範囲
内の光に関連し、かつ前記選択されたフォトディテクタ
位置に垂直方向に隣接するフォトディテクタ位置に関連
する前記カラー値のセット内のカラー値の平均とを乗じ
るステップと、前記垂直方向の勾配と、前記第３の波長
範囲内の光に関連し、かつ前記選択されたフォトディテ
クタ位置に水平方向に隣接するフォトディテクタ位置に
関連する前記カラー値のセット内のカラー値の平均とを
乗じるステップと、をさらに含む、上記９に記載のデモ
ザイク方法。 【００６２】当業者には明らかなように、本明細書に述
べた新たな概念は幅広いアプリケーションに対して変更
及び改変可能である。したがって、本発明は記載した実
施形態における特定の教示内容に限られない。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態による二色フォトディテク
タアレイ用のフォトディテクタの２ｘ２ブロックの一例
を表す図である。 【図２】図１に示した種類の二色フォトディテクタの断
面図である。 【図３】アモルファスシリコンの様々な厚さに対する、
波長対吸収率を示した図である。 【図４Ａ】二色フォトディテクタの２ｘ２ブロックから
得られる生のカラー値を示す図である。 【図４Ｂ】本発明の一実施形態による、図４Ａに示した
生のカラー値のデモザイク処理の結果を示す図である。 【図５】本発明の一実施形態による 直接変換デモザイ
ク法の例示的なステップを示すフローチャートである。 【図６】二色フォトディテクタアレイから得られた生の
カラー値を示す図である。 【図７】本発明の一実施形態によるエッジ加重デモザイ
ク法の例示的なステップを示すフローチャートである。 【符号の説明】 ５ 二色フォトディテクタ １０ ディジタルイメージセンサ １２ 第１のフォトディテクタ素子 １３ 第２のフォトディテクタ素子 ２１ 第３のフォトディテクタ素子 ２２ 第４のフォトディテクタ素子 ３０ カラーフィルタ ４０ 透明金属導体 ５０ 誘電体層 ６０ 基板
タアレイ用のフォトディテクタの２ｘ２ブロックの一例
を表す図である。 【図２】図１に示した種類の二色フォトディテクタの断
面図である。 【図３】アモルファスシリコンの様々な厚さに対する、
波長対吸収率を示した図である。 【図４Ａ】二色フォトディテクタの２ｘ２ブロックから
得られる生のカラー値を示す図である。 【図４Ｂ】本発明の一実施形態による、図４Ａに示した
生のカラー値のデモザイク処理の結果を示す図である。 【図５】本発明の一実施形態による 直接変換デモザイ
ク法の例示的なステップを示すフローチャートである。 【図６】二色フォトディテクタアレイから得られた生の
カラー値を示す図である。 【図７】本発明の一実施形態によるエッジ加重デモザイ
ク法の例示的なステップを示すフローチャートである。 【符号の説明】 ５ 二色フォトディテクタ １０ ディジタルイメージセンサ １２ 第１のフォトディテクタ素子 １３ 第２のフォトディテクタ素子 ２１ 第３のフォトディテクタ素子 ２２ 第４のフォトディテクタ素子 ３０ カラーフィルタ ４０ 透明金属導体 ５０ 誘電体層 ６０ 基板
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(72)発明者 イザック・バハラヴ
アメリカ合衆国95124カリフォルニア州サ
ンノゼ、セント・ローレンス・ドライヴ
2548
(72)発明者 フィリップ・ロングレ
アメリカ合衆国93117カリフォルニア州ゴ
レッタ、アカシア・ウォーク 781、ナン
バー イー
(72)発明者 ディートリッヒ・ダブリュ・ヴォック
アメリカ合衆国94025カリフォルニア州メ
ンロー・パーク、ローブル・アヴェニュー
960、アパートメント・ナンバー シー
Ｆターム(参考） 4M118 AB01 BA10 BA14 CA02 CA18
CA22 CA27 GC07
5C024 AX01 CY04 DX01 EX21 EX52
GX03
5F049 MA04 MB02 NA20 NB03 QA04
QA07 SS03
Claims (1)
- 【特許請求の範囲】 【請求項１】第１の波長範囲内の光を吸収可能な第１の
フォトディテクタ素子と第２の波長範囲内の光を吸収可
能な第２のフォトディテクタ素子とを有する二色フォト
ディテクタを含み、 前記第１のフォトディテクタ素子は前記第２のフォトデ
ィテクタ素子の上に高架された関係にあり、 前記第１のフォトディテクタ素子は前記第２のフォトデ
ィテクタ素子から電気的に絶縁されていることを特徴と
する、ディジタルイメージセンサ。
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