JP2004221250A - 撮像センサおよび撮像装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】１度の露光によって４以上の波長の入射光の強度を得る。
【解決手段】デジタルカメラが備える撮像センサの複数の画素には、受光面３０からの深さが異なる６つのフォトダイオードＰＤａ〜ＰＤｆが形成されている。シリコンの光に対しての吸収係数は波長に依存する性質を有しているため、比較的波長の短い入射光は比較的浅い位置で吸収される一方、比較的波長の長い入射光は比較的深い位置で吸収される。このため、６つのフォトダイオードＰＤａ〜ＰＤｆにおいてそれぞれ異なる波長の入射光が光電変換される。したがって、１度の露光によって６つの波長の入射光の強度が得られる。
【選択図】 図２
【解決手段】デジタルカメラが備える撮像センサの複数の画素には、受光面３０からの深さが異なる６つのフォトダイオードＰＤａ〜ＰＤｆが形成されている。シリコンの光に対しての吸収係数は波長に依存する性質を有しているため、比較的波長の短い入射光は比較的浅い位置で吸収される一方、比較的波長の長い入射光は比較的深い位置で吸収される。このため、６つのフォトダイオードＰＤａ〜ＰＤｆにおいてそれぞれ異なる波長の入射光が光電変換される。したがって、１度の露光によって６つの波長の入射光の強度が得られる。
【選択図】 図２
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、複数の波長の入射光の強度を取得する技術に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、条件等色（メタメリズム）の問題を解決するためや、物体の成分の解析等を行うために、撮像装置で得られる画像から被写体の分光反射率を求める試みがなされている。被写体の分光反射率は、被写体からの反射光の離散的なカラー情報から反射光の分光分布を求め、さらに、反射光の分光分布から照明光の分光分布を取り除くことなどで求めることができる。反射光の離散的なカラー情報から分光分布を求める手法としては、スプライン補間処理、主成分分析による推定、Ｗｉｎｎｅｒ推定などが知られている。
【０００３】
その一方で、ビデオカメラ、デジタルスチルカメラおよびカラースキャナなどの撮像装置では、一般に、ＲＧＢに対応する３つの波長に係る被写体からの反射光の強度を取得する撮像センサを備えることで、被写体のカラー情報を得るようにしている（例えば、特許文献１参照。）。これは、人間の色覚を担う錐体がＲＧＢの３色の感度を有するため、このＲＧＢの３色の強度が得られれば人間が知覚できる殆どの色を表現できるためである。
【０００４】
しかしながら、このような３色（３つの波長の光の強度）のみでは、上述した反射光の分光分布を高精度に得ることはできない。このため、４以上の波長の光の強度を取得可能な撮像装置であるマルチバンドカメラが提案されている。従来より提案されているマルチバンドカメラの方式としては、以下のものがある。
【０００５】
１．分光透過特性の異なる４以上フィルタを円盤状に配置し、これらのフィルタを入射光の行路中に順次に配置して撮像を行うカラーホイール式。
【０００６】
２．干渉計や液晶の偏光現象により特定の波長のみを透過する光学素子を用いて、透過する波長を順次変化させて撮像を行うチューナブルフィルタ式。
【０００７】
３．入射光を回折により波長ごとに分解し、走査により二次元の撮影を行うグレーティング式。
【０００８】
【特許文献１】
特表２００２−５１３１４５号公報
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来から提案されたマルチバンドカメラは、波長の切り替えや走査が必要なため、いずれも１度の露光では目的とする全ての波長の入射光の強度を得ることができず、撮影に時間がかかり、比較的高速に移動する物体などを被写体にすることができないという問題があった。
【００１０】
本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、１度の露光によって４以上の波長の入射光の強度を得ることができる技術を提供することを目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため、請求項１の発明は、複数の画素を有する撮像センサであって、前記複数の画素はそれぞれ、第１導電型の半導体領域と第２導電型の半導体領域との４以上の特定数の接合部を、入射光の受光面からの深さがそれぞれ異なり、かつ、前記入射光の入射方向と略同方向に重層して有し、前記特定数の接合部それぞれにおける光電変換作用により、前記特定数の前記入射光の強度を検出するものであり、前記撮像センサは、前記画素で検出された前記特定数の前記入射光の強度、および、前記特定数の接合部それぞれの前記受光面からの深さにおいて前記特定数の検出対象波長それぞれの前記入射光が光電変換される割合に基づいて、前記特定数の検出対象波長それぞれの前記入射光の強度を導出する導出手段、を備えている。
【００１２】
また、請求項２の発明は、複数の画素を有する撮像センサを備えた撮像装置であって、前記複数の画素はそれぞれ、第１導電型の半導体領域と第２導電型の半導体領域との４以上の特定数の接合部を、入射光の受光面からの深さがそれぞれ異なり、かつ、前記入射光の入射方向と略同方向に重層して有し、前記特定数の接合部それぞれにおける光電変換作用により、前記特定数の前記入射光の強度を検出するものであり、前記撮像装置は、前記画素で検出された前記特定数の前記入射光の強度、および、前記特定数の接合部それぞれの前記受光面からの深さにおいて前記特定数の検出対象波長それぞれの前記入射光が光電変換される割合に基づいて、前記特定数の検出対象波長それぞれの前記入射光の強度を導出する導出手段、を備えている。
【００１３】
また、請求項３の発明は、撮像装置であって、入射光を複数の方向に分離する分離手段と、分離された前記入射光をそれぞれ受光可能に、前記複数の方向それぞれに配置された複数の撮像センサと、を備え、前記複数の撮像センサはそれぞれ、第１導電型の半導体領域と第２導電型の半導体領域との２以上の特定数の接合部を、前記入射光の受光面からの深さがそれぞれ異なり、かつ、前記入射光の入射方向と略同方向に重層して有し、前記特定数の接合部それぞれにおける光電変換作用により、前記特定数の検出対象波長それぞれの前記入射光の強度を検出する画素、を複数備え、前記接合部の前記受光面からの深さは、前記複数の撮像センサ間において相違することを特徴とする。
【００１４】
また、請求項４の発明は、請求項２または３に記載の撮像装置において、前記接合部の前記受光面からの深さは、前記撮像センサの形成過程において、前記画素の表面に溝を形成することにより調整されることを特徴とする。
【００１５】
また、請求項５の発明は、請求項２または３に記載の撮像装置において、前記接合部の前記受光面からの深さは、前記撮像センサの形成過程において、前記画素の表面に半導体層を積層することにより調整されることを特徴とする。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照しつつ本発明の実施の形態について説明する。なお、以下においては、撮像装置の一例としてデジタルスチルカメラ（以下、「デジタルカメラ」という。）について説明する。
【００１７】
＜１．第１の実施の形態＞
図１は、本発明の実施の形態に係る撮像装置であるデジタルカメラ１の概略構成を示す図である。図に示すようにデジタルカメラ１は主として、レンズ２、撮像部４０、Ａ／Ｄ変換器４１、画像処理部４２、全体制御部５０、カードスロット４３、操作入力部４４およびデータ出力端子４５を備えている。
【００１８】
撮像部４０は、レンズ２によって結像された被写体の光像を光電変換して画像信号を出力する撮像センサ３を備えている。撮像センサ３から出力された画像信号は、Ａ／Ｄ変換器４１によってデジタル信号とされ、画像処理部４２によって所定の処理が施される。これにより生成される画像データは、カードスロット４３に装着されるメモリカード９１に記憶されたり、データ出力端子４５を介して接続されるコンピュータなどの外部装置９２に送信される。
【００１９】
操作入力部４４は、撮像開始の指示などの各種コマンドをユーザから受け付けるための操作部材を示している。デジタルカメラ１は、操作入力部４４の操作に応答して所定の動作を行う。
【００２０】
全体制御部５０は、上述したデジタルカメラ１の各部を統括制御する制御機能や、各種データ処理を行うデータ処理機能を有し、マイクロコンピュータを備えて構成されている。具体的には、全体制御部５０は、その本体部であるＣＰＵ５１、制御プログラムなどを記憶するＲＯＭ５２、および、作業領域となるＲＡＭ５３などを備えている。全体制御部５０の各種の機能は、ＲＯＭ５２に記憶された制御プログラムをＣＰＵ５１が実行することにより実現される。
【００２１】
撮像部４０が備える撮像センサ３は、複数の画素を二次元に配列して備えており、複数の画素のそれぞれにおいて６つの波長の入射光（被写体からの反射光）の強度が得られるようになっている。つまり、デジタルカメラ１は、６色分の被写体のカラー情報を取得するマルチバンドカメラとなっている。以下、デジタルカメラ１が検出対象とする光の波長を「検出対象波長」という。以下において、撮像センサ３について詳細に説明する。
【００２２】
図２は、撮像センサ３の一の画素３１の断面構造を示す図である。図に示すように、画素３１は、シリコンのＰ型半導体基板３７上に、Ｎ型半導体領域Ｌ６、Ｐ型半導体領域Ｌ５、Ｎ型半導体領域Ｌ４、Ｐ型半導体領域Ｌ３、Ｎ型半導体領域Ｌ２およびＰ型半導体領域Ｌ１を、下層からこの順に形成した構造となっている。半導体領域Ｌ１〜Ｌ６は、直近下層の半導体領域（半導体基板３７を含む）内にそれぞれ形成される。このような構造は、フォトレジストをマスクに使用しつつ、Ｎ型およびＰ型の不純物を交互に用いて熱拡散あるいはイオン注入を行うことによって形成される。なお、このような半導体領域（半導体基板３７を含む）それぞれの導電型（Ｐ型またはＮ型）は逆であってもよい。
【００２３】
このような構造により画素３１は、入射光の受光面３０からの深さがそれぞれ異なり、かつ、入射光の入射方向と略同方向に重層して、６つのＰＮ接合部を有している。これら６つのＰＮ接合部はそれぞれ、フォトダイオードを形成することとなる。すなわち、半導体領域Ｌ１，Ｌ２に係るＰＮ接合部は第１フォトダイオードＰＤａ、半導体領域Ｌ２，Ｌ３に係るＰＮ接合部は第２フォトダイオードＰＤｂ、半導体領域Ｌ３，Ｌ４に係るＰＮ接合部は第３フォトダイオードＰＤｃ、半導体領域Ｌ４，Ｌ５に係るＰＮ接合部は第４フォトダイオードＰＤｄ、半導体領域Ｌ５，Ｌ６に係るＰＮ接合部は第５フォトダイオードＰＤｅ、半導体領域Ｌ６と半導体基板３７とに係るＰＮ接合部は第６フォトダイオードＰＤｆをそれぞれ形成している。
【００２４】
これら６つのフォトダイオードＰＤはそれぞれＰＮ接合部において入射光を光電変換して入射光の強度を信号として検出することとなるが、ＰＮ接合部の受光面３０からの深さが異なることから、検出される光に含まれる波長はフォトダイオードＰＤ間で相違する。これは、シリコンの光に対しての吸収係数が波長に依存する性質を有しているためである。
【００２５】
図３は、光に対するシリコンの吸収係数、および、光のシリコンに対する貫通深さを示し、図において横軸は光の波長を示している。図３に示すように、波長が比較的短い光は、吸収係数が比較的高く大部分が受光面３０から比較的浅い位置でシリコンに吸収されるため、比較的浅い位置までしか到達しない。逆に、波長が比較的長い光は、吸収係数が比較的低く大部分が受光面３０から比較的深い位置でシリコンに吸収されるため、比較的深い位置まで到達する。このことから、比較的浅い位置に形成されるフォトダイオードＰＤは主として比較的短い波長の光を、比較的深い位置に形成されるフォトダイオードＰＤは主として比較的長い波長の光をそれぞれ光電変換することとなる。したがって、フォトダイオードＰＤのＰＮ接合部を一の検出対象波長の貫通深さに合わせることで、該フォトダイオードＰＤはその検出対象波長の入射光の強度を主として検出することができる。本実施の形態では、各フォトダイオードＰＤに対応する検出対象波長、および、各フォトダイオードＰＤのＰＮ接合部の深さは次の表１のようになっている。
【００２６】
【表１】
【００２７】
なお、半導体領域Ｌ１〜Ｌ６を形成する際に、熱拡散で形成するときは温度や時間を、イオン注入で形成するときは注入エネルギーをそれぞれ制御することで、ＰＮ接合部の深さは調整することができる。
【００２８】
図２に戻り、半導体基板３７の下面には電極ｅ７が設けられる一方、画素３１の各半導体領域Ｌ１〜Ｌ６にはそれぞれオーミックコンタクトがとられた電極ｅ１〜ｅ６が設けられている。各フォトダイオードＰＤで検出される信号は、これらの電極ｅ１〜ｅ６から取り出される。図４は、図２に示す画素３１の等価回路を主として示す図である。図に示すように、画素３１の各フォトダイオードＰＤａ〜ＰＤｆに対応する電極ｅ１〜ｅ６には、それぞれ読出回路３２が設けられている。各フォトダイオードＰＤａ〜ＰＤｆで得られた信号は、それぞれ電極ｅ１〜ｅ６を介して読出回路３２へ入力される。
【００２９】
６つの読出回路３２は、全て同様の構成となっている。すなわち、６つの読出回路３２はそれぞれ、リセットトランジスタ３２ａ、ソースフォロアトランジスタ３２ｂおよび選択トランジスタ３２ｃを備えている。リセットトランジスタ３２ａは、フォトダイオードＰＤにて入射光を受光する前に電極ｅ１〜ｅ６の電位を所定の電位にリセットする。これにより、各フォトダイオードＰＤａ〜ＰＤｆは、所定のバイアス電圧がかけられた状態となる。この状態で画素３１が入射光を受光すると、各フォトダイオードＰＤにおいてキャリアが発生し、このキャリアが信号として検出される。ソースフォロアトランジスタ３２ｂは、このようなフォトダイオードＰＤで得られた信号を増幅する。また、選択トランジスタ３２ｃは、いずれのフォトダイオードＰＤの信号を取り出すかを選択するスイッチとして機能する。
【００３０】
以上のような構成により、第１フォトダイオードＰＤａから主として第１青色波長の入射光の強度Ｄａを示す信号、第２フォトダイオードＰＤｂから主として第２青色波長の入射光の強度Ｄｂを示す信号、第３フォトダイオードＰＤｃから主として第１緑色波長の入射光の強度Ｄｃを示す信号、第４フォトダイオードＰＤｄから主として第２緑色波長の入射光の強度Ｄｄを示す信号、第５フォトダイオードＰＤｅから主として第１赤色波長の入射光の強度Ｄｅを示す信号、第６フォトダイオードＰＤｆから主として第２赤色波長の入射光の強度Ｄｆを示す信号がそれぞれ取り出される。つまり、一の画素３１から、入射光の強度を示す６つの信号を取り出すことができるわけである。以下、フォトダイオードＰＤａ〜ＰＤｆから取り出される６つの入射光の強度Ｄａ〜Ｄｆを「実測値」という。
【００３１】
ところで、各フォトダイオードＰＤａ〜ＰＤｆにて検出されたこれら実測値Ｄａ〜Ｄｆは、各フォトダイオードＰＤａ〜ＰＤｆに対応する検出対象波長の入射光の強度を正確に示しているわけではなく、他の波長の入射光の強度にも影響される。これは例えば、波長が比較的長い光は、その貫通深さだけではなく、それより浅い位置においても吸収されるためである。このため、フォトダイオードＰＤａ〜ＰＤｆから取り出された実測値Ｄａ〜Ｄｆは、信号転送線３３を介して転送され、撮像センサ３が備える演算部３４に入力される。そして、演算部３４において、実測値Ｄａ〜Ｄｆに基づいて、６つの検出対象波長それぞれの入射光の強度が導出されるようになっている。
【００３２】
以下、演算部３４が、６つの検出対象波長それぞれの入射光の強度を導出する手法について説明する。なお以下、第１青色波長の入射光を「第１青色光」、第２青色波長の入射光を「第２青色光」、第１緑色波長の入射光を「第１緑色光」、第２緑色波長の入射光を「第２緑色光」、第１赤色波長の入射光を「第１赤色光」、第２赤色波長の入射光を「第２赤色光」とそれぞれ称する。そして、求めるべき第１青色光、第２青色光、第１緑色光、第２緑色光、第１赤色光および第２赤色光の強度をそれぞれＢ１，Ｂ２，Ｇ１，Ｇ２，Ｒ１，Ｒ２とする。
【００３３】
前述したように、例えばフォトダイオードＰＤａで得られる実測値Ｄａには、第１青色光の強度Ｂ１に係る値以外に、他の波長の入射光の強度Ｂ２，Ｇ１，Ｇ２，Ｒ１，Ｒ２に係る値が含まれている。したがって、実測値Ｄａは、次の数１で表現することができる。
【００３４】
【数１】
【００３５】
ここで、ｂ１ａは、第１青色光の強度Ｂ１が実測値Ｄａに影響を与える割合、すなわち、第１フォトダイオードＰＤａのＰＮ接合部の深さにおいて第１青色光が光電変換される割合を示す係数である。同様に、ｂ２ａ、ｇ１ａ、ｇ２ａ、ｒ１ａおよびｒ２ａはそれぞれ、第１フォトダイオードＰＤａのＰＮ接合部の深さにおいて第２青色光、第１緑色光、第２緑色光、第１赤色光および第２赤色光のそれぞれが光電変換される割合を示す係数である。
【００３６】
また、他の実測値Ｄｂ〜Ｄｆに関しても、上記数１とほぼ同様に表現できるため、実測値Ｄａ〜Ｄｆは次の数２として表現することができる。
【００３７】
【数２】
【００３８】
ここで、数２をＤ＝Ｈ・Ｘと表現する。行列Ｈに含まれる係数ｂ１ａ〜ｒ２ｆは、上述したｂ１ａと同様、各フォトダイオードＰＤａ〜ＰＤｆのＰＮ接合部の深さにおいて、第１青色光、第２青色光、第１緑色光、第２緑色光、第１赤色光および第２赤色光のそれぞれが光電変換される割合を示している。この係数ｂ１ａ〜ｒ２ｆは、６つの検出対象波長それぞれについてのシリコンの吸収係数、および、各フォトダイオードＰＤａ〜ＰＤｆのＰＮ接合部の深さに基づいて容易に求めることができる。したがって、求めるべき６つの検出対象波長の入射光の強度を示すベクトルＸは、Ｘ＝Ｈ−１・Ｄにより求めることができる。
【００３９】
演算部３４には、この行列Ｈ−１に相当するデータが予め記憶されており、演算部３４は、このデータと、各画素３１から出力される実測値Ｄａ〜Ｄｆとに基づいて、６つの検出対象波長それぞれの入射光の強度を導出する。
【００４０】
このようにして撮像センサ３の各画素３１ごとに得られる６つの検出対象波長それぞれの入射光の強度は、撮像センサ３から画像信号として出力される。この画像信号は、Ａ／Ｄ変換器４１および画像処理部４２において所定の処理がなされ、これにより被写体の同一点のカラー情報を６色で表現した画像データを得ることができる。この画像データは、通常の３色でカラー情報を表現した画像データよりも分光分解能が高いため、全体制御部５０や外部装置９２等において被写体からの反射光の分光分布を導出する場合などにおいて、導出精度を飛躍的に向上させることができる。そしてこれにより、被写体に関して様々な分析を行うことができる。また、本実施の形態の撮像センサ３では、一の画素で６つの波長の入射光の強度、すなわち、６色を１度の露光で得ることができる。このため、被写体のマルチバンド撮像を瞬時に行うことができ、比較的高速に移動する物体などを被写体にすることができる。
【００４１】
以上、第１の実施の形態について説明したように、本実施の形態のデジタルカメラ１の撮像センサ３においては、各画素が、入射光の受光面３０からの深さがそれぞれ異なり、かつ、入射光の入射方向と略同方向に重層して６つのＰＮ接合部を有している。そして、６つのＰＮ接合部それぞれにおける光電変換作用により、６つの入射光の強度が検出される。さらに、各画素で検出された６つの入射光の強度、および、６つのＰＮ接合部それぞれの深さにおいて６つの検出対象波長それぞれの入射光が光電変換される割合に基づいて、演算部３４により６つの検出対象波長それぞれの入射光の強度が導出される。これにより、１度の露光によって、被写体の同一点からの６つの波長の入射光の強度を高精度に得ることができる。
【００４２】
＜２．第２の実施の形態＞
次に、本発明の第２の実施の形態について説明する。第１の実施の形態においては検出対象波長の入射光の強度を１つの撮像センサ３によって取得するようにしていたが、本実施の形態においては２つの撮像センサによって取得するようにしている。本実施の形態のデジタルカメラ１の構成は、図１に示すものとほぼ同様であるが、撮像部４０の構成が相違する。
【００４３】
図５は、本実施の形態の撮像部４０の構成を示す図である。図に示すように、撮像部４０は、レンズ２からの入射光を２つの方向に分離するハーフミラー５および２つの撮像センサ（第１撮像センサ６、第２撮像センサ７）を備えている。レンズ２からの入射光２１は、ハーフミラー５によって直進する透過光２１ａと直角方向に反射する反射光２１ｂとに分離される。第１撮像センサ６はハーフミラー５からの透過光２１ａを受光可能な位置に配置される一方、第２撮像センサ７はハーフミラー５からの反射光２１ｂを受光可能な位置に配置される。つまり、入射光は２つの撮像センサ６，７のそれぞれに受光されることとなる。
【００４４】
第１撮像センサ６および第２撮像センサ７の双方は、第１の実施の形態の撮像センサ３と同様に、複数の画素を二次元に配列して備えている。図６は、２つの撮像センサ６，７のそれぞれの一の画素の断面構造を示す図である。図中の左側は第１撮像センサ６の一の画素６１を示しており、右側は第２撮像センサ７の一の画素７１を示している。
【００４５】
図に示すように、画素６１，７１のそれぞれは、第１の実施の形態の画素３１と同様に、入射光の受光面３０からの深さがそれぞれ異なり、かつ、入射光の入射方向と略同方向に重層して、複数のＰＮ接合部を有している。そして、これら複数のＰＮ接合部がそれぞれフォトダイオードを形成している。ただし、ＰＮ接合部の数は３つとなっており、画素６１，７１のそれぞれには３つのフォトダイオードが形成される。画素６１においては受光面３０側からフォトダイオード６ａ、フォトダイオード６ｂ、フォトダイオード６ｃがこの順に形成され、画素７１においては受光面３０側からフォトダイオード７ａ、フォトダイオード７ｂ、フォトダイオード７ｃがこの順に形成される。したがって画素６１，７１においては、それぞれ３つの入射光の強度を得ることができる。
【００４６】
また、図に示すようにこれらのフォトダイオード６ａ〜６ｂ，７ａ〜７ｂのＰＮ接合部の受光面からの深さは、第１撮像センサ６と第２撮像センサ７との間で相違されている。より具体的には、第１撮像センサ６におけるフォトダイオード６ａは第１青色波長、フォトダイオード６ｂは第１緑色波長、フォトダイオード６ｃは第１赤色波長をそれぞれ検出対象波長としている。一方、第２撮像センサ７におけるフォトダイオード７ａは第２青色波長、フォトダイオード７ｂは第２緑色波長、フォトダイオード７ｃは第２赤色波長をそれぞれ検出対象波長としている。つまり、検出対象波長が２つの撮像センサ６，７間で相違されているわけである。
【００４７】
本実施の形態の撮像センサ６，７においても第１の実施の形態の撮像センサと同様に、フォトダイオード６ａ〜６ｂ，７ａ〜７ｂにて得られる信号は、それぞれ電極を介して読み出されて読出回路にて増幅された後、演算部に入力される。そして、２つの撮像センサ６，７の演算部において、それぞれ３つの検出対象波長の強度が導出される。つまり、デジタルカメラ１としては、互いに異なる６つの検出対象波長の入射光の強度が得られることとなる。
【００４８】
以上のような構成により、本実施の形態のデジタルカメラ１においても、１度の露光によって、被写体の同一点からの６つの波長の入射光の強度を得ることができる。また、第１の実施の形態の場合と比較すると、同一数の検出対象波長の入射光の強度を得ようとするとき、撮像センサが重層して有すべきフォトダイオード（ＰＮ接合部）の数を１／２にすることができる。このため、撮像センサを比較的容易に製造することができる。
【００４９】
＜３．変形例＞
以上、本発明の実施の形態について説明してきたが、この発明は上記実施の形態に限定されるものではなく様々な変形が可能である。
【００５０】
例えば、上記第１の実施の形態の撮像センサ３は６つの検出対象波長の入射光の強度を検出するものであったが、検出対象波長の数はこれに限定されるものではなく４以上であればどのような数であってもよい。つまり、一の画素に関してフォトダイオード（ＰＮ接合部）を４以上形成すれば、被写体の同一点からの４以上の検出対象波長の入射光の強度を１度の露光によって得ることができる。精度の高い分光分布を得るためには、少なくとも４以上の検出対象波長の入射光の強度を得る必要がある。
【００５１】
また、上記第２の実施の形態の撮像センサ６，７はそれぞれ、３つの検出対象波長の入射光の強度を検出するものであったが、検出対象波長の数は２以上であればどのような数であってもよい。２つの撮像センサが、それぞれ２以上の検出対象波長の強度を得ることができれば、被写体の同一点からの４以上の検出対象波長の入射光の強度を１度の露光によって得ることができる。
【００５２】
また、上記第２の実施の形態においては、ハーフミラーにより入射光を２つの方向に分離するようにしていたが、ハーフミラーやプリズムなどを組み合わせて入射光を３以上の方向に分離し、分離された入射光をそれぞれ受光可能に３以上の撮像センサを配置するようにしてもよい。例えば、入射光を３つの方向に分離する場合は、２つの検出対象波長の入射光の強度を検出可能な３つの撮像センサを分離された入射光の３つの行路にそれぞれ配置することで、デジタルカメラとしては６つの検出対象波長の入射光の強度を得ることができる。
【００５３】
また、上記第２実施の形態では、６つの検出対象波長の入射光の強度を、波長が短い側から交互に第１撮像センサ６と第２撮像センサ７とで取得するようにしているが、図７に示すように一方の撮像センサ６の３つのＰＮ接合部を比較的浅く形成し、他方の撮像センサ７の３つのＰＮ接合部を比較的深く形成して、一方の撮像センサ６で波長が短い側の３つの検出対象波長の入射光の強度を取得し、他方の撮像センサ７で波長が長い側の３つの検出対象波長の入射光の強度を取得するようにしてもよい。
【００５４】
一般に、レンズを通過した光が合焦する位置（焦点位置）は、波長に応じて相違する。このため、図７に示すような検出対象とする波長域が異なる２つの撮像センサを用い、対象とする波長域の光が最も合焦する位置にそれぞれを配置することで、取得される画像データ中の色収差や被写体像のボケを減少させることができる。
【００５５】
また、図８に示すように、各ＰＮ接合部の受光面からの深さが所定となる撮像センサ８を生成しておき、この撮像センサ８の画素の表面を加工することにより、ＰＮ接合部の深さを調整するようにしてもよい。例えば、ＰＮ結合部が受光面３０から比較的浅く、比較的短い波長域を検出対象波長とする撮像センサ８ａは、フォトレジストをマスクに用いてシリコン基板のエッチングを選択的に行って画素の表面に溝８１ａを形成することにより生成することができる。一方、ＰＮ結合部が受光面３０から比較的深く、比較的長い波長を検出対象波長とする撮像センサ８ｂは、フォトレジストをマスクに用いて画素の表面にシリコン層の積層を選択的に行うことで生成することができる。ＰＮ接合部の深さは、撮像センサの形成過程においてこのような加工を行うことで容易に調整できるため、撮像センサの製造が容易となる。さらに、図７にて説明したような検出対象とする波長域が異なる２種類の撮像センサも容易に製造することができる。
【００５６】
また、上記実施の形態においては、検出対象波長は全て可視波長であったが、シリコンで構成されるフォトダイオードは近紫外の波長（約３００ｎｍ）から近赤外の波長（約１１００ｎｍ）までの光の光電変換が可能であるため、検出対象波長として近紫外や近赤外の波長を設定してもよい。一のフォトダイオードのＰＮ接合部を青色波長を検出対象波長とするフォトダイオードよりも浅く形成すれば、検出対象波長に近紫外の波長を含めることができる。また、一のフォトダイオードのＰＮ接合部を赤色波長を検出対象波長とするフォトダイオードよりも深く形成すれば、検出対象波長に近赤外の波長を含めることができる。近紫外光の波長帯は、昆虫などが視感度を有する波長帯であるため、近紫外の波長の入射光の強度が得られれば、植物などの被写体に関して種々の分析を行うことができる。また、近紫外光は被写体における散乱が多いため、顔のしわやしみの検出にも適している。一方、近赤外光は、被写体における散乱や水の吸収が少なく生体を透過しやすいため、近赤外の波長の入射光の強度が得られれば、生体の被写体に関して種々の分析を行うことができる。
【００５７】
また、上記第２の実施の形態と同様のデジタルカメラにおいて、図７に示すような検出対象とする波長域が異なる２つの撮像センサを採用する場合で、その一方の撮像センサにおける検出対象波長を可視波長とし、他方の撮像センサにおける検出対象波長を近赤外の波長とするときには、入射光を２つの方向に分離する分離手段としてハーフミラーではなくコールドミラーを採用することが好ましい。コールドミラーは、可視光を全て反射し赤外光を全て透過する性質を有するため、反射光を受光可能に配置される撮像センサにおける検出対象波長を可視波長とし、透過光を受光可能に配置される撮像センサにおける検出対象波長を近赤外の波長とすれば、ハーフミラーを採用した際と比較して撮像センサに到達する光量が２倍となり、撮像感度を向上することができる。
【００５８】
また、上記第２の実施の形態の撮像センサにおいては、演算部において３つの検出対象波長の入射光の強度を導出するようにしているが、一の画素に係る検出対象波長の数が３以下であれば、フォトダイオードの実測値は検出対象波長の他の波長の入射光の強度にあまり影響されないため、フォトダイオードの実測値をそのまま検出対象波長の入射光の強度としてもよい。
【００５９】
また、上記実施の形態においては、撮像センサが備える演算部において検出対象波長の入射光の強度を導出するようにしているが、例えば、デジタルカメラ１が備える画像処理部４２や全体制御部５０などの他の演算手段（導出手段）により、検出対象波長の入射光の強度を導出するようにしてもよい。
【００６０】
また、上記実施の形態においては、デジタルカメラについて説明を行ったが、ビデオカメラ、カラースキャナや測色計など、複数の画素を有する撮像センサを備えた撮像装置であれば、どのようなものであっても本発明に係る技術を適用することが可能である。
【００６１】
◎なお、上述した具体的実施の形態には以下の構成を有する発明が含まれている。
【００６２】
（１） 請求項１に記載の撮像センサにおいて、
前記検出対象波長には、近紫外または近赤外の波長が含まれることを特徴とする撮像センサ。
【００６３】
これによれば、近紫外または近赤外の波長の光の強度を高精度に得ることができるため、被写体に対して様々な分析を行うことができる。
【００６４】
（２） 請求項２または３に記載の撮像装置において、
前記検出対象波長には、近紫外または近赤外の波長が含まれることを特徴とする撮像装置。
【００６５】
これによれば、近赤外の波長の光の強度を高精度に得ることができるため、被写体に対して様々な分析を行うことができる。
【００６６】
（３） 請求項３に記載の撮像装置において、
前記分離手段は、可視光を反射し赤外光を透過するコールドミラーを備え、
前記複数の撮像センサのうち、
前記コールドミラーの反射光を受光可能に配置される撮像センサにおける前記検出対象波長は可視波長であり、
前記コールドミラーの透過光を受光可能に配置される撮像センサにおける前記検出対象波長は赤外波長であることを特徴とする撮像装置。
【００６７】
これによれば、撮像感度を向上することができる。
【００６８】
【発明の効果】
以上、説明したように、請求項１および２の発明によれば、被写体の同一点からの４以上の検出対象波長の入射光の強度を１度の露光によって得ることができる。これとともに、画素において検出される入射光の強度と、接合部の受光面からの深さにおいて検出対象波長の入射光が光電変換される割合とに基づいて検出対象波長の入射光の強度を導出するため、検出対象波長の入射光の強度を高精度に得ることができる。
【００６９】
また、請求項３の発明によれば、被写体の同一点からの４以上の波長の入射光の強度を１度の露光によって得ることができる。
【００７０】
また、請求項４の発明によれば、画素の表面に溝を形成することにより接合部の受光面からの深さが調整されるため、撮像センサの製造が容易である。
【００７１】
また、請求項５の発明によれば、画素の表面に半導体層を積層することにより接合部の受光面からの深さが調整されるため、撮像センサの製造が容易である。
【図面の簡単な説明】
【図１】デジタルカメラの概略構成を示す図である。
【図２】撮像センサの一の画素の断面構造を示す図である。
【図３】光に対するシリコンの吸収係数、および、光のシリコンに対する貫通深さを示す図である。
【図４】画素に係る回路構成を示す図である。
【図５】第２の実施の形態の撮像部の構成を示す図である。
【図６】２つの撮像センサそれぞれの一の画素の断面構造を示す図である。
【図７】２つの撮像センサそれぞれの一の画素の断面構造を示す図である。
【図８】画素のＰＮ結合部の深さを調整する手法を説明する図である。
【符号の説明】
１ デジタルカメラ
２ レンズ
３，６，７ 撮像センサ
５ ハーフミラー
３０ 受光面
３４ 演算部
【発明の属する技術分野】
本発明は、複数の波長の入射光の強度を取得する技術に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、条件等色（メタメリズム）の問題を解決するためや、物体の成分の解析等を行うために、撮像装置で得られる画像から被写体の分光反射率を求める試みがなされている。被写体の分光反射率は、被写体からの反射光の離散的なカラー情報から反射光の分光分布を求め、さらに、反射光の分光分布から照明光の分光分布を取り除くことなどで求めることができる。反射光の離散的なカラー情報から分光分布を求める手法としては、スプライン補間処理、主成分分析による推定、Ｗｉｎｎｅｒ推定などが知られている。
【０００３】
その一方で、ビデオカメラ、デジタルスチルカメラおよびカラースキャナなどの撮像装置では、一般に、ＲＧＢに対応する３つの波長に係る被写体からの反射光の強度を取得する撮像センサを備えることで、被写体のカラー情報を得るようにしている（例えば、特許文献１参照。）。これは、人間の色覚を担う錐体がＲＧＢの３色の感度を有するため、このＲＧＢの３色の強度が得られれば人間が知覚できる殆どの色を表現できるためである。
【０００４】
しかしながら、このような３色（３つの波長の光の強度）のみでは、上述した反射光の分光分布を高精度に得ることはできない。このため、４以上の波長の光の強度を取得可能な撮像装置であるマルチバンドカメラが提案されている。従来より提案されているマルチバンドカメラの方式としては、以下のものがある。
【０００５】
１．分光透過特性の異なる４以上フィルタを円盤状に配置し、これらのフィルタを入射光の行路中に順次に配置して撮像を行うカラーホイール式。
【０００６】
２．干渉計や液晶の偏光現象により特定の波長のみを透過する光学素子を用いて、透過する波長を順次変化させて撮像を行うチューナブルフィルタ式。
【０００７】
３．入射光を回折により波長ごとに分解し、走査により二次元の撮影を行うグレーティング式。
【０００８】
【特許文献１】
特表２００２−５１３１４５号公報
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来から提案されたマルチバンドカメラは、波長の切り替えや走査が必要なため、いずれも１度の露光では目的とする全ての波長の入射光の強度を得ることができず、撮影に時間がかかり、比較的高速に移動する物体などを被写体にすることができないという問題があった。
【００１０】
本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、１度の露光によって４以上の波長の入射光の強度を得ることができる技術を提供することを目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため、請求項１の発明は、複数の画素を有する撮像センサであって、前記複数の画素はそれぞれ、第１導電型の半導体領域と第２導電型の半導体領域との４以上の特定数の接合部を、入射光の受光面からの深さがそれぞれ異なり、かつ、前記入射光の入射方向と略同方向に重層して有し、前記特定数の接合部それぞれにおける光電変換作用により、前記特定数の前記入射光の強度を検出するものであり、前記撮像センサは、前記画素で検出された前記特定数の前記入射光の強度、および、前記特定数の接合部それぞれの前記受光面からの深さにおいて前記特定数の検出対象波長それぞれの前記入射光が光電変換される割合に基づいて、前記特定数の検出対象波長それぞれの前記入射光の強度を導出する導出手段、を備えている。
【００１２】
また、請求項２の発明は、複数の画素を有する撮像センサを備えた撮像装置であって、前記複数の画素はそれぞれ、第１導電型の半導体領域と第２導電型の半導体領域との４以上の特定数の接合部を、入射光の受光面からの深さがそれぞれ異なり、かつ、前記入射光の入射方向と略同方向に重層して有し、前記特定数の接合部それぞれにおける光電変換作用により、前記特定数の前記入射光の強度を検出するものであり、前記撮像装置は、前記画素で検出された前記特定数の前記入射光の強度、および、前記特定数の接合部それぞれの前記受光面からの深さにおいて前記特定数の検出対象波長それぞれの前記入射光が光電変換される割合に基づいて、前記特定数の検出対象波長それぞれの前記入射光の強度を導出する導出手段、を備えている。
【００１３】
また、請求項３の発明は、撮像装置であって、入射光を複数の方向に分離する分離手段と、分離された前記入射光をそれぞれ受光可能に、前記複数の方向それぞれに配置された複数の撮像センサと、を備え、前記複数の撮像センサはそれぞれ、第１導電型の半導体領域と第２導電型の半導体領域との２以上の特定数の接合部を、前記入射光の受光面からの深さがそれぞれ異なり、かつ、前記入射光の入射方向と略同方向に重層して有し、前記特定数の接合部それぞれにおける光電変換作用により、前記特定数の検出対象波長それぞれの前記入射光の強度を検出する画素、を複数備え、前記接合部の前記受光面からの深さは、前記複数の撮像センサ間において相違することを特徴とする。
【００１４】
また、請求項４の発明は、請求項２または３に記載の撮像装置において、前記接合部の前記受光面からの深さは、前記撮像センサの形成過程において、前記画素の表面に溝を形成することにより調整されることを特徴とする。
【００１５】
また、請求項５の発明は、請求項２または３に記載の撮像装置において、前記接合部の前記受光面からの深さは、前記撮像センサの形成過程において、前記画素の表面に半導体層を積層することにより調整されることを特徴とする。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照しつつ本発明の実施の形態について説明する。なお、以下においては、撮像装置の一例としてデジタルスチルカメラ（以下、「デジタルカメラ」という。）について説明する。
【００１７】
＜１．第１の実施の形態＞
図１は、本発明の実施の形態に係る撮像装置であるデジタルカメラ１の概略構成を示す図である。図に示すようにデジタルカメラ１は主として、レンズ２、撮像部４０、Ａ／Ｄ変換器４１、画像処理部４２、全体制御部５０、カードスロット４３、操作入力部４４およびデータ出力端子４５を備えている。
【００１８】
撮像部４０は、レンズ２によって結像された被写体の光像を光電変換して画像信号を出力する撮像センサ３を備えている。撮像センサ３から出力された画像信号は、Ａ／Ｄ変換器４１によってデジタル信号とされ、画像処理部４２によって所定の処理が施される。これにより生成される画像データは、カードスロット４３に装着されるメモリカード９１に記憶されたり、データ出力端子４５を介して接続されるコンピュータなどの外部装置９２に送信される。
【００１９】
操作入力部４４は、撮像開始の指示などの各種コマンドをユーザから受け付けるための操作部材を示している。デジタルカメラ１は、操作入力部４４の操作に応答して所定の動作を行う。
【００２０】
全体制御部５０は、上述したデジタルカメラ１の各部を統括制御する制御機能や、各種データ処理を行うデータ処理機能を有し、マイクロコンピュータを備えて構成されている。具体的には、全体制御部５０は、その本体部であるＣＰＵ５１、制御プログラムなどを記憶するＲＯＭ５２、および、作業領域となるＲＡＭ５３などを備えている。全体制御部５０の各種の機能は、ＲＯＭ５２に記憶された制御プログラムをＣＰＵ５１が実行することにより実現される。
【００２１】
撮像部４０が備える撮像センサ３は、複数の画素を二次元に配列して備えており、複数の画素のそれぞれにおいて６つの波長の入射光（被写体からの反射光）の強度が得られるようになっている。つまり、デジタルカメラ１は、６色分の被写体のカラー情報を取得するマルチバンドカメラとなっている。以下、デジタルカメラ１が検出対象とする光の波長を「検出対象波長」という。以下において、撮像センサ３について詳細に説明する。
【００２２】
図２は、撮像センサ３の一の画素３１の断面構造を示す図である。図に示すように、画素３１は、シリコンのＰ型半導体基板３７上に、Ｎ型半導体領域Ｌ６、Ｐ型半導体領域Ｌ５、Ｎ型半導体領域Ｌ４、Ｐ型半導体領域Ｌ３、Ｎ型半導体領域Ｌ２およびＰ型半導体領域Ｌ１を、下層からこの順に形成した構造となっている。半導体領域Ｌ１〜Ｌ６は、直近下層の半導体領域（半導体基板３７を含む）内にそれぞれ形成される。このような構造は、フォトレジストをマスクに使用しつつ、Ｎ型およびＰ型の不純物を交互に用いて熱拡散あるいはイオン注入を行うことによって形成される。なお、このような半導体領域（半導体基板３７を含む）それぞれの導電型（Ｐ型またはＮ型）は逆であってもよい。
【００２３】
このような構造により画素３１は、入射光の受光面３０からの深さがそれぞれ異なり、かつ、入射光の入射方向と略同方向に重層して、６つのＰＮ接合部を有している。これら６つのＰＮ接合部はそれぞれ、フォトダイオードを形成することとなる。すなわち、半導体領域Ｌ１，Ｌ２に係るＰＮ接合部は第１フォトダイオードＰＤａ、半導体領域Ｌ２，Ｌ３に係るＰＮ接合部は第２フォトダイオードＰＤｂ、半導体領域Ｌ３，Ｌ４に係るＰＮ接合部は第３フォトダイオードＰＤｃ、半導体領域Ｌ４，Ｌ５に係るＰＮ接合部は第４フォトダイオードＰＤｄ、半導体領域Ｌ５，Ｌ６に係るＰＮ接合部は第５フォトダイオードＰＤｅ、半導体領域Ｌ６と半導体基板３７とに係るＰＮ接合部は第６フォトダイオードＰＤｆをそれぞれ形成している。
【００２４】
これら６つのフォトダイオードＰＤはそれぞれＰＮ接合部において入射光を光電変換して入射光の強度を信号として検出することとなるが、ＰＮ接合部の受光面３０からの深さが異なることから、検出される光に含まれる波長はフォトダイオードＰＤ間で相違する。これは、シリコンの光に対しての吸収係数が波長に依存する性質を有しているためである。
【００２５】
図３は、光に対するシリコンの吸収係数、および、光のシリコンに対する貫通深さを示し、図において横軸は光の波長を示している。図３に示すように、波長が比較的短い光は、吸収係数が比較的高く大部分が受光面３０から比較的浅い位置でシリコンに吸収されるため、比較的浅い位置までしか到達しない。逆に、波長が比較的長い光は、吸収係数が比較的低く大部分が受光面３０から比較的深い位置でシリコンに吸収されるため、比較的深い位置まで到達する。このことから、比較的浅い位置に形成されるフォトダイオードＰＤは主として比較的短い波長の光を、比較的深い位置に形成されるフォトダイオードＰＤは主として比較的長い波長の光をそれぞれ光電変換することとなる。したがって、フォトダイオードＰＤのＰＮ接合部を一の検出対象波長の貫通深さに合わせることで、該フォトダイオードＰＤはその検出対象波長の入射光の強度を主として検出することができる。本実施の形態では、各フォトダイオードＰＤに対応する検出対象波長、および、各フォトダイオードＰＤのＰＮ接合部の深さは次の表１のようになっている。
【００２６】
【表１】
なお、半導体領域Ｌ１〜Ｌ６を形成する際に、熱拡散で形成するときは温度や時間を、イオン注入で形成するときは注入エネルギーをそれぞれ制御することで、ＰＮ接合部の深さは調整することができる。
【００２８】
図２に戻り、半導体基板３７の下面には電極ｅ７が設けられる一方、画素３１の各半導体領域Ｌ１〜Ｌ６にはそれぞれオーミックコンタクトがとられた電極ｅ１〜ｅ６が設けられている。各フォトダイオードＰＤで検出される信号は、これらの電極ｅ１〜ｅ６から取り出される。図４は、図２に示す画素３１の等価回路を主として示す図である。図に示すように、画素３１の各フォトダイオードＰＤａ〜ＰＤｆに対応する電極ｅ１〜ｅ６には、それぞれ読出回路３２が設けられている。各フォトダイオードＰＤａ〜ＰＤｆで得られた信号は、それぞれ電極ｅ１〜ｅ６を介して読出回路３２へ入力される。
【００２９】
６つの読出回路３２は、全て同様の構成となっている。すなわち、６つの読出回路３２はそれぞれ、リセットトランジスタ３２ａ、ソースフォロアトランジスタ３２ｂおよび選択トランジスタ３２ｃを備えている。リセットトランジスタ３２ａは、フォトダイオードＰＤにて入射光を受光する前に電極ｅ１〜ｅ６の電位を所定の電位にリセットする。これにより、各フォトダイオードＰＤａ〜ＰＤｆは、所定のバイアス電圧がかけられた状態となる。この状態で画素３１が入射光を受光すると、各フォトダイオードＰＤにおいてキャリアが発生し、このキャリアが信号として検出される。ソースフォロアトランジスタ３２ｂは、このようなフォトダイオードＰＤで得られた信号を増幅する。また、選択トランジスタ３２ｃは、いずれのフォトダイオードＰＤの信号を取り出すかを選択するスイッチとして機能する。
【００３０】
以上のような構成により、第１フォトダイオードＰＤａから主として第１青色波長の入射光の強度Ｄａを示す信号、第２フォトダイオードＰＤｂから主として第２青色波長の入射光の強度Ｄｂを示す信号、第３フォトダイオードＰＤｃから主として第１緑色波長の入射光の強度Ｄｃを示す信号、第４フォトダイオードＰＤｄから主として第２緑色波長の入射光の強度Ｄｄを示す信号、第５フォトダイオードＰＤｅから主として第１赤色波長の入射光の強度Ｄｅを示す信号、第６フォトダイオードＰＤｆから主として第２赤色波長の入射光の強度Ｄｆを示す信号がそれぞれ取り出される。つまり、一の画素３１から、入射光の強度を示す６つの信号を取り出すことができるわけである。以下、フォトダイオードＰＤａ〜ＰＤｆから取り出される６つの入射光の強度Ｄａ〜Ｄｆを「実測値」という。
【００３１】
ところで、各フォトダイオードＰＤａ〜ＰＤｆにて検出されたこれら実測値Ｄａ〜Ｄｆは、各フォトダイオードＰＤａ〜ＰＤｆに対応する検出対象波長の入射光の強度を正確に示しているわけではなく、他の波長の入射光の強度にも影響される。これは例えば、波長が比較的長い光は、その貫通深さだけではなく、それより浅い位置においても吸収されるためである。このため、フォトダイオードＰＤａ〜ＰＤｆから取り出された実測値Ｄａ〜Ｄｆは、信号転送線３３を介して転送され、撮像センサ３が備える演算部３４に入力される。そして、演算部３４において、実測値Ｄａ〜Ｄｆに基づいて、６つの検出対象波長それぞれの入射光の強度が導出されるようになっている。
【００３２】
以下、演算部３４が、６つの検出対象波長それぞれの入射光の強度を導出する手法について説明する。なお以下、第１青色波長の入射光を「第１青色光」、第２青色波長の入射光を「第２青色光」、第１緑色波長の入射光を「第１緑色光」、第２緑色波長の入射光を「第２緑色光」、第１赤色波長の入射光を「第１赤色光」、第２赤色波長の入射光を「第２赤色光」とそれぞれ称する。そして、求めるべき第１青色光、第２青色光、第１緑色光、第２緑色光、第１赤色光および第２赤色光の強度をそれぞれＢ１，Ｂ２，Ｇ１，Ｇ２，Ｒ１，Ｒ２とする。
【００３３】
前述したように、例えばフォトダイオードＰＤａで得られる実測値Ｄａには、第１青色光の強度Ｂ１に係る値以外に、他の波長の入射光の強度Ｂ２，Ｇ１，Ｇ２，Ｒ１，Ｒ２に係る値が含まれている。したがって、実測値Ｄａは、次の数１で表現することができる。
【００３４】
【数１】
ここで、ｂ１ａは、第１青色光の強度Ｂ１が実測値Ｄａに影響を与える割合、すなわち、第１フォトダイオードＰＤａのＰＮ接合部の深さにおいて第１青色光が光電変換される割合を示す係数である。同様に、ｂ２ａ、ｇ１ａ、ｇ２ａ、ｒ１ａおよびｒ２ａはそれぞれ、第１フォトダイオードＰＤａのＰＮ接合部の深さにおいて第２青色光、第１緑色光、第２緑色光、第１赤色光および第２赤色光のそれぞれが光電変換される割合を示す係数である。
【００３６】
また、他の実測値Ｄｂ〜Ｄｆに関しても、上記数１とほぼ同様に表現できるため、実測値Ｄａ〜Ｄｆは次の数２として表現することができる。
【００３７】
【数２】
ここで、数２をＤ＝Ｈ・Ｘと表現する。行列Ｈに含まれる係数ｂ１ａ〜ｒ２ｆは、上述したｂ１ａと同様、各フォトダイオードＰＤａ〜ＰＤｆのＰＮ接合部の深さにおいて、第１青色光、第２青色光、第１緑色光、第２緑色光、第１赤色光および第２赤色光のそれぞれが光電変換される割合を示している。この係数ｂ１ａ〜ｒ２ｆは、６つの検出対象波長それぞれについてのシリコンの吸収係数、および、各フォトダイオードＰＤａ〜ＰＤｆのＰＮ接合部の深さに基づいて容易に求めることができる。したがって、求めるべき６つの検出対象波長の入射光の強度を示すベクトルＸは、Ｘ＝Ｈ−１・Ｄにより求めることができる。
【００３９】
演算部３４には、この行列Ｈ−１に相当するデータが予め記憶されており、演算部３４は、このデータと、各画素３１から出力される実測値Ｄａ〜Ｄｆとに基づいて、６つの検出対象波長それぞれの入射光の強度を導出する。
【００４０】
このようにして撮像センサ３の各画素３１ごとに得られる６つの検出対象波長それぞれの入射光の強度は、撮像センサ３から画像信号として出力される。この画像信号は、Ａ／Ｄ変換器４１および画像処理部４２において所定の処理がなされ、これにより被写体の同一点のカラー情報を６色で表現した画像データを得ることができる。この画像データは、通常の３色でカラー情報を表現した画像データよりも分光分解能が高いため、全体制御部５０や外部装置９２等において被写体からの反射光の分光分布を導出する場合などにおいて、導出精度を飛躍的に向上させることができる。そしてこれにより、被写体に関して様々な分析を行うことができる。また、本実施の形態の撮像センサ３では、一の画素で６つの波長の入射光の強度、すなわち、６色を１度の露光で得ることができる。このため、被写体のマルチバンド撮像を瞬時に行うことができ、比較的高速に移動する物体などを被写体にすることができる。
【００４１】
以上、第１の実施の形態について説明したように、本実施の形態のデジタルカメラ１の撮像センサ３においては、各画素が、入射光の受光面３０からの深さがそれぞれ異なり、かつ、入射光の入射方向と略同方向に重層して６つのＰＮ接合部を有している。そして、６つのＰＮ接合部それぞれにおける光電変換作用により、６つの入射光の強度が検出される。さらに、各画素で検出された６つの入射光の強度、および、６つのＰＮ接合部それぞれの深さにおいて６つの検出対象波長それぞれの入射光が光電変換される割合に基づいて、演算部３４により６つの検出対象波長それぞれの入射光の強度が導出される。これにより、１度の露光によって、被写体の同一点からの６つの波長の入射光の強度を高精度に得ることができる。
【００４２】
＜２．第２の実施の形態＞
次に、本発明の第２の実施の形態について説明する。第１の実施の形態においては検出対象波長の入射光の強度を１つの撮像センサ３によって取得するようにしていたが、本実施の形態においては２つの撮像センサによって取得するようにしている。本実施の形態のデジタルカメラ１の構成は、図１に示すものとほぼ同様であるが、撮像部４０の構成が相違する。
【００４３】
図５は、本実施の形態の撮像部４０の構成を示す図である。図に示すように、撮像部４０は、レンズ２からの入射光を２つの方向に分離するハーフミラー５および２つの撮像センサ（第１撮像センサ６、第２撮像センサ７）を備えている。レンズ２からの入射光２１は、ハーフミラー５によって直進する透過光２１ａと直角方向に反射する反射光２１ｂとに分離される。第１撮像センサ６はハーフミラー５からの透過光２１ａを受光可能な位置に配置される一方、第２撮像センサ７はハーフミラー５からの反射光２１ｂを受光可能な位置に配置される。つまり、入射光は２つの撮像センサ６，７のそれぞれに受光されることとなる。
【００４４】
第１撮像センサ６および第２撮像センサ７の双方は、第１の実施の形態の撮像センサ３と同様に、複数の画素を二次元に配列して備えている。図６は、２つの撮像センサ６，７のそれぞれの一の画素の断面構造を示す図である。図中の左側は第１撮像センサ６の一の画素６１を示しており、右側は第２撮像センサ７の一の画素７１を示している。
【００４５】
図に示すように、画素６１，７１のそれぞれは、第１の実施の形態の画素３１と同様に、入射光の受光面３０からの深さがそれぞれ異なり、かつ、入射光の入射方向と略同方向に重層して、複数のＰＮ接合部を有している。そして、これら複数のＰＮ接合部がそれぞれフォトダイオードを形成している。ただし、ＰＮ接合部の数は３つとなっており、画素６１，７１のそれぞれには３つのフォトダイオードが形成される。画素６１においては受光面３０側からフォトダイオード６ａ、フォトダイオード６ｂ、フォトダイオード６ｃがこの順に形成され、画素７１においては受光面３０側からフォトダイオード７ａ、フォトダイオード７ｂ、フォトダイオード７ｃがこの順に形成される。したがって画素６１，７１においては、それぞれ３つの入射光の強度を得ることができる。
【００４６】
また、図に示すようにこれらのフォトダイオード６ａ〜６ｂ，７ａ〜７ｂのＰＮ接合部の受光面からの深さは、第１撮像センサ６と第２撮像センサ７との間で相違されている。より具体的には、第１撮像センサ６におけるフォトダイオード６ａは第１青色波長、フォトダイオード６ｂは第１緑色波長、フォトダイオード６ｃは第１赤色波長をそれぞれ検出対象波長としている。一方、第２撮像センサ７におけるフォトダイオード７ａは第２青色波長、フォトダイオード７ｂは第２緑色波長、フォトダイオード７ｃは第２赤色波長をそれぞれ検出対象波長としている。つまり、検出対象波長が２つの撮像センサ６，７間で相違されているわけである。
【００４７】
本実施の形態の撮像センサ６，７においても第１の実施の形態の撮像センサと同様に、フォトダイオード６ａ〜６ｂ，７ａ〜７ｂにて得られる信号は、それぞれ電極を介して読み出されて読出回路にて増幅された後、演算部に入力される。そして、２つの撮像センサ６，７の演算部において、それぞれ３つの検出対象波長の強度が導出される。つまり、デジタルカメラ１としては、互いに異なる６つの検出対象波長の入射光の強度が得られることとなる。
【００４８】
以上のような構成により、本実施の形態のデジタルカメラ１においても、１度の露光によって、被写体の同一点からの６つの波長の入射光の強度を得ることができる。また、第１の実施の形態の場合と比較すると、同一数の検出対象波長の入射光の強度を得ようとするとき、撮像センサが重層して有すべきフォトダイオード（ＰＮ接合部）の数を１／２にすることができる。このため、撮像センサを比較的容易に製造することができる。
【００４９】
＜３．変形例＞
以上、本発明の実施の形態について説明してきたが、この発明は上記実施の形態に限定されるものではなく様々な変形が可能である。
【００５０】
例えば、上記第１の実施の形態の撮像センサ３は６つの検出対象波長の入射光の強度を検出するものであったが、検出対象波長の数はこれに限定されるものではなく４以上であればどのような数であってもよい。つまり、一の画素に関してフォトダイオード（ＰＮ接合部）を４以上形成すれば、被写体の同一点からの４以上の検出対象波長の入射光の強度を１度の露光によって得ることができる。精度の高い分光分布を得るためには、少なくとも４以上の検出対象波長の入射光の強度を得る必要がある。
【００５１】
また、上記第２の実施の形態の撮像センサ６，７はそれぞれ、３つの検出対象波長の入射光の強度を検出するものであったが、検出対象波長の数は２以上であればどのような数であってもよい。２つの撮像センサが、それぞれ２以上の検出対象波長の強度を得ることができれば、被写体の同一点からの４以上の検出対象波長の入射光の強度を１度の露光によって得ることができる。
【００５２】
また、上記第２の実施の形態においては、ハーフミラーにより入射光を２つの方向に分離するようにしていたが、ハーフミラーやプリズムなどを組み合わせて入射光を３以上の方向に分離し、分離された入射光をそれぞれ受光可能に３以上の撮像センサを配置するようにしてもよい。例えば、入射光を３つの方向に分離する場合は、２つの検出対象波長の入射光の強度を検出可能な３つの撮像センサを分離された入射光の３つの行路にそれぞれ配置することで、デジタルカメラとしては６つの検出対象波長の入射光の強度を得ることができる。
【００５３】
また、上記第２実施の形態では、６つの検出対象波長の入射光の強度を、波長が短い側から交互に第１撮像センサ６と第２撮像センサ７とで取得するようにしているが、図７に示すように一方の撮像センサ６の３つのＰＮ接合部を比較的浅く形成し、他方の撮像センサ７の３つのＰＮ接合部を比較的深く形成して、一方の撮像センサ６で波長が短い側の３つの検出対象波長の入射光の強度を取得し、他方の撮像センサ７で波長が長い側の３つの検出対象波長の入射光の強度を取得するようにしてもよい。
【００５４】
一般に、レンズを通過した光が合焦する位置（焦点位置）は、波長に応じて相違する。このため、図７に示すような検出対象とする波長域が異なる２つの撮像センサを用い、対象とする波長域の光が最も合焦する位置にそれぞれを配置することで、取得される画像データ中の色収差や被写体像のボケを減少させることができる。
【００５５】
また、図８に示すように、各ＰＮ接合部の受光面からの深さが所定となる撮像センサ８を生成しておき、この撮像センサ８の画素の表面を加工することにより、ＰＮ接合部の深さを調整するようにしてもよい。例えば、ＰＮ結合部が受光面３０から比較的浅く、比較的短い波長域を検出対象波長とする撮像センサ８ａは、フォトレジストをマスクに用いてシリコン基板のエッチングを選択的に行って画素の表面に溝８１ａを形成することにより生成することができる。一方、ＰＮ結合部が受光面３０から比較的深く、比較的長い波長を検出対象波長とする撮像センサ８ｂは、フォトレジストをマスクに用いて画素の表面にシリコン層の積層を選択的に行うことで生成することができる。ＰＮ接合部の深さは、撮像センサの形成過程においてこのような加工を行うことで容易に調整できるため、撮像センサの製造が容易となる。さらに、図７にて説明したような検出対象とする波長域が異なる２種類の撮像センサも容易に製造することができる。
【００５６】
また、上記実施の形態においては、検出対象波長は全て可視波長であったが、シリコンで構成されるフォトダイオードは近紫外の波長（約３００ｎｍ）から近赤外の波長（約１１００ｎｍ）までの光の光電変換が可能であるため、検出対象波長として近紫外や近赤外の波長を設定してもよい。一のフォトダイオードのＰＮ接合部を青色波長を検出対象波長とするフォトダイオードよりも浅く形成すれば、検出対象波長に近紫外の波長を含めることができる。また、一のフォトダイオードのＰＮ接合部を赤色波長を検出対象波長とするフォトダイオードよりも深く形成すれば、検出対象波長に近赤外の波長を含めることができる。近紫外光の波長帯は、昆虫などが視感度を有する波長帯であるため、近紫外の波長の入射光の強度が得られれば、植物などの被写体に関して種々の分析を行うことができる。また、近紫外光は被写体における散乱が多いため、顔のしわやしみの検出にも適している。一方、近赤外光は、被写体における散乱や水の吸収が少なく生体を透過しやすいため、近赤外の波長の入射光の強度が得られれば、生体の被写体に関して種々の分析を行うことができる。
【００５７】
また、上記第２の実施の形態と同様のデジタルカメラにおいて、図７に示すような検出対象とする波長域が異なる２つの撮像センサを採用する場合で、その一方の撮像センサにおける検出対象波長を可視波長とし、他方の撮像センサにおける検出対象波長を近赤外の波長とするときには、入射光を２つの方向に分離する分離手段としてハーフミラーではなくコールドミラーを採用することが好ましい。コールドミラーは、可視光を全て反射し赤外光を全て透過する性質を有するため、反射光を受光可能に配置される撮像センサにおける検出対象波長を可視波長とし、透過光を受光可能に配置される撮像センサにおける検出対象波長を近赤外の波長とすれば、ハーフミラーを採用した際と比較して撮像センサに到達する光量が２倍となり、撮像感度を向上することができる。
【００５８】
また、上記第２の実施の形態の撮像センサにおいては、演算部において３つの検出対象波長の入射光の強度を導出するようにしているが、一の画素に係る検出対象波長の数が３以下であれば、フォトダイオードの実測値は検出対象波長の他の波長の入射光の強度にあまり影響されないため、フォトダイオードの実測値をそのまま検出対象波長の入射光の強度としてもよい。
【００５９】
また、上記実施の形態においては、撮像センサが備える演算部において検出対象波長の入射光の強度を導出するようにしているが、例えば、デジタルカメラ１が備える画像処理部４２や全体制御部５０などの他の演算手段（導出手段）により、検出対象波長の入射光の強度を導出するようにしてもよい。
【００６０】
また、上記実施の形態においては、デジタルカメラについて説明を行ったが、ビデオカメラ、カラースキャナや測色計など、複数の画素を有する撮像センサを備えた撮像装置であれば、どのようなものであっても本発明に係る技術を適用することが可能である。
【００６１】
◎なお、上述した具体的実施の形態には以下の構成を有する発明が含まれている。
【００６２】
（１） 請求項１に記載の撮像センサにおいて、
前記検出対象波長には、近紫外または近赤外の波長が含まれることを特徴とする撮像センサ。
【００６３】
これによれば、近紫外または近赤外の波長の光の強度を高精度に得ることができるため、被写体に対して様々な分析を行うことができる。
【００６４】
（２） 請求項２または３に記載の撮像装置において、
前記検出対象波長には、近紫外または近赤外の波長が含まれることを特徴とする撮像装置。
【００６５】
これによれば、近赤外の波長の光の強度を高精度に得ることができるため、被写体に対して様々な分析を行うことができる。
【００６６】
（３） 請求項３に記載の撮像装置において、
前記分離手段は、可視光を反射し赤外光を透過するコールドミラーを備え、
前記複数の撮像センサのうち、
前記コールドミラーの反射光を受光可能に配置される撮像センサにおける前記検出対象波長は可視波長であり、
前記コールドミラーの透過光を受光可能に配置される撮像センサにおける前記検出対象波長は赤外波長であることを特徴とする撮像装置。
【００６７】
これによれば、撮像感度を向上することができる。
【００６８】
【発明の効果】
以上、説明したように、請求項１および２の発明によれば、被写体の同一点からの４以上の検出対象波長の入射光の強度を１度の露光によって得ることができる。これとともに、画素において検出される入射光の強度と、接合部の受光面からの深さにおいて検出対象波長の入射光が光電変換される割合とに基づいて検出対象波長の入射光の強度を導出するため、検出対象波長の入射光の強度を高精度に得ることができる。
【００６９】
また、請求項３の発明によれば、被写体の同一点からの４以上の波長の入射光の強度を１度の露光によって得ることができる。
【００７０】
また、請求項４の発明によれば、画素の表面に溝を形成することにより接合部の受光面からの深さが調整されるため、撮像センサの製造が容易である。
【００７１】
また、請求項５の発明によれば、画素の表面に半導体層を積層することにより接合部の受光面からの深さが調整されるため、撮像センサの製造が容易である。
【図面の簡単な説明】
【図１】デジタルカメラの概略構成を示す図である。
【図２】撮像センサの一の画素の断面構造を示す図である。
【図３】光に対するシリコンの吸収係数、および、光のシリコンに対する貫通深さを示す図である。
【図４】画素に係る回路構成を示す図である。
【図５】第２の実施の形態の撮像部の構成を示す図である。
【図６】２つの撮像センサそれぞれの一の画素の断面構造を示す図である。
【図７】２つの撮像センサそれぞれの一の画素の断面構造を示す図である。
【図８】画素のＰＮ結合部の深さを調整する手法を説明する図である。
【符号の説明】
１ デジタルカメラ
２ レンズ
３，６，７ 撮像センサ
５ ハーフミラー
３０ 受光面
３４ 演算部
Claims (5)
- 複数の画素を有する撮像センサであって、
前記複数の画素はそれぞれ、
第１導電型の半導体領域と第２導電型の半導体領域との４以上の特定数の接合部を、入射光の受光面からの深さがそれぞれ異なり、かつ、前記入射光の入射方向と略同方向に重層して有し、前記特定数の接合部それぞれにおける光電変換作用により、前記特定数の前記入射光の強度を検出するものであり、
前記撮像センサは、
前記画素で検出された前記特定数の前記入射光の強度、および、前記特定数の接合部それぞれの前記受光面からの深さにおいて前記特定数の検出対象波長それぞれの前記入射光が光電変換される割合に基づいて、前記特定数の検出対象波長それぞれの前記入射光の強度を導出する導出手段、
を備えることを特徴とする撮像センサ。 - 複数の画素を有する撮像センサを備えた撮像装置であって、
前記複数の画素はそれぞれ、
第１導電型の半導体領域と第２導電型の半導体領域との４以上の特定数の接合部を、入射光の受光面からの深さがそれぞれ異なり、かつ、前記入射光の入射方向と略同方向に重層して有し、前記特定数の接合部それぞれにおける光電変換作用により、前記特定数の前記入射光の強度を検出するものであり、
前記撮像装置は、
前記画素で検出された前記特定数の前記入射光の強度、および、前記特定数の接合部それぞれの前記受光面からの深さにおいて前記特定数の検出対象波長それぞれの前記入射光が光電変換される割合に基づいて、前記特定数の検出対象波長それぞれの前記入射光の強度を導出する導出手段、
を備えることを特徴とする撮像装置。 - 撮像装置であって、
入射光を複数の方向に分離する分離手段と、
分離された前記入射光をそれぞれ受光可能に、前記複数の方向それぞれに配置された複数の撮像センサと、
を備え、
前記複数の撮像センサはそれぞれ、
第１導電型の半導体領域と第２導電型の半導体領域との２以上の特定数の接合部を、前記入射光の受光面からの深さがそれぞれ異なり、かつ、前記入射光の入射方向と略同方向に重層して有し、前記特定数の接合部それぞれにおける光電変換作用により、前記特定数の検出対象波長それぞれの前記入射光の強度を検出する画素、
を複数備え、
前記接合部の前記受光面からの深さは、前記複数の撮像センサ間において相違することを特徴とする撮像装置。 - 請求項２または３に記載の撮像装置において、
前記接合部の前記受光面からの深さは、前記撮像センサの形成過程において、前記画素の表面に溝を形成することにより調整されることを特徴とする撮像装置。 - 請求項２または３に記載の撮像装置において、
前記接合部の前記受光面からの深さは、前記撮像センサの形成過程において、前記画素の表面に半導体層を積層することにより調整されることを特徴とする撮像装置。
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|---|---|---|---|
| JP2003005885A JP2004221250A (ja) | 2003-01-14 | 2003-01-14 | 撮像センサおよび撮像装置 |
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Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2007184603A (ja) * | 2005-12-29 | 2007-07-19 | Magnachip Semiconductor Ltd | バックサイド照明構造のｃｍｏｓイメージセンサ及びその製造方法 |
| JP2010532869A (ja) * | 2007-07-09 | 2010-10-14 | ボリーメディアコミュニケーションズ（シンチェン）カンパニーリミテッド | マルチスペクトルセンシング装置及びその製造方法 |
| US9711675B2 (en) | 2013-11-06 | 2017-07-18 | Samsung Electronics Co., Ltd. | Sensing pixel and image sensor including the same |
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2003
- 2003-01-14 JP JP2003005885A patent/JP2004221250A/ja active Pending
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