JP2006237737A - カラーフィルタアレイ及び固体撮像素子 - Google Patents

Abstract

【課題】 固体撮像素子に搭載するカラーフィルタアレイにおいて、赤外光を透過するフィルタを配置すると、解像度や感度の低下を生じる。
【解決手段】 ベイヤー配列のカラーフィルタアレイに含まれるＲフィルタの一部を、赤外光を選択的に透過するＩＲフィルタで置き換える。ＩＲフィルタ及びＲフィルタは、当該カラーフィルタアレイ内に市松模様状に配置される。これにより、２×２画素の各画素ブロック内にＧフィルタが２つ配置され、解像度の低下が抑制される。またＩＲフィルタの数は２つの画素ブロックに１つとなり、可視光に対する感度の低下が抑制される。
【選択図】 図１

Description

本発明は、固体撮像素子に用いるカラーフィルタアレイ及び固体撮像素子に関し、特に赤外光を検出する受光画素の配置に関する。

ビデオカメラやデジタルカメラに搭載されるＣＣＤ（Charge Coupled Device）イメージセンサ等の固体撮像素子は二次元配列された受光画素を有し、この受光画素で入射光を光電変換して電気的な画像信号を生成する。受光画素は半導体基板に形成されたフォトダイオードを含み、通常、このフォトダイオード自体は、いずれの受光画素においても共通の分光感度特性を有する。そのため、カラー画像を取得するために、受光画素上にカラーフィルタアレイを配置する。カラーフィルタアレイは、透過光の色、つまり透過波長領域が異なる複数種類のカラーフィルタから構成され、個々のカラーフィルタはフォトダイオード上に配置される。

カラーフィルタには、透過光が赤（Ｒ）、緑（Ｇ）及び青（Ｂ）である原色系のフィルタセットや、シアン（Ｃｙ）、マゼンタ（Ｍｇ）及びイエロー（Ｙｅ）である補色系のフィルタセットがある。これらカラーフィルタは例えば、有機材料を基材とし、これを着色して形成され、それぞれ対応する色の可視光を透過するが、その材質上、赤外光も透過する。各色のカラーフィルタの透過率は、可視光領域ではそれぞれの着色に応じて固有の分光特性を示すが、赤外光領域ではほぼ共通の分光特性を示す。

一方、フォトダイオードは、波長が３８０〜７８０ｎｍ程度の可視光領域全般に加え、さらに長波長の近赤外領域まで感度を有する。そのため、赤外光成分（ＩＲ成分）が受光画素に入射すると、当該赤外光成分はカラーフィルタを透過して、フォトダイオードにて信号電荷を発生する。図３はそれぞれＲＧＢ各フィルタを配置されたＲＧＢ各受光画素の分光感度特性を示すグラフである。図３にも示されるように、各受光画素がＩＲ成分にも感度を有するので、ＩＲ成分を含む入射光に対して正しい色表現ができない。そのため、従来は、カメラのレンズと固体撮像素子との間に、別途、赤外カットフィルタを配置している。

この赤外カットフィルタは、赤外光をカットすると同時に、可視光も１０〜２０％程度、減衰させる。そのため、受光画素に入射する可視光の強度が減少し、それに応じて出力信号のＳ／Ｎ比が低下し、画質の劣化を招くという問題があった。

この問題への対処として、赤外カットフィルタを無くす一方で、ＲＧＢ等の特定色の光成分を透過するカラーフィルタを配置された受光画素（色受光画素）に加えて、入射光中のＩＲ成分のみを透過する赤外光フィルタ（ＩＲフィルタ）を配置され、基本的にＩＲ成分のみを検出する受光画素（赤外受光画素）を有した固体撮像素子が提案されている。

赤外受光画素が出力する信号は、各受光画素にてＩＲ成分に起因して生じる信号量に関する情報を与える参照信号となる。この参照信号を用いて、色受光画素から出力される各色信号に含まれるＩＲ成分の影響を除去する色信号処理を行うことができる。

図２は赤外光フィルタを有した従来のカラーフィルタアレイの構成を示す模式的な平面図である。このカラーフィルタアレイは、ベイヤー配列における２×２画素のフィルタアレイの繰り返し単位にて、対角方向の２画素に配置されるＧフィルタの一方をＩＲフィルタで置き換えた構成を有する。すなわち、図２において行番号α及び列番号βで指定される位置のフィルタの透過特性の種類Ｃ(α,β)は以下のようになる。ここで、行番号αは下側から順番に付し、列番号βは左側から順番に付す。また、Ｒ，Ｇ，Ｂ，ＩＲはそれぞれＲフィルタ、Ｇフィルタ、Ｂフィルタ、ＩＲフィルタを意味する。
Ｃ(2λ-1,2μ-1) ＝ Ｂ
Ｃ(2λ ,2μ ) ＝ Ｒ
Ｃ(2λ-1,2μ ) ＝ Ｇ
Ｃ(2λ ,2μ-1) ＝ ＩＲ
（但し、λ，μは自然数）
特願２００３−４２５７０８号公報

図２に示す従来のフィルタアレイを用いると、２×２画素のフィルタアレイの繰り返し単位内におけるＧ画素が１画素のみとなる。すなわち、ベイヤー配列の２画素に対して、半分となる。このようにＧ画素が減少する分、当該カラーフィルタアレイを搭載した固体撮像素子から得られる画像信号の解像度は低下するという問題があった。また、２×２画素のフィルタアレイの繰り返し単位内に必ず１画素、ＩＲフィルタが配置される。すなわち、固体撮像素子の受光画素に占めるＩＲ画素の比率が比較的高くなる。ＩＲ画素は可視光に対する感度を有さないので、可視光に対する感度、信号ゲインが低下するという問題もあった。

本発明は、上記問題点を解決するためになされたものであり、解像度や感度の向上が図られるカラーフィルタアレイ及び固体撮像素子を提供することを目的とする。

本発明に係るカラーフィルタアレイは、要素フィルタとして、互いに異なる色を透過する複数種類の色フィルタと、赤外光を選択的に透過し、当該カラーフィルタアレイ内に分散配置された赤外光フィルタと、を含み、前記複数種類の色フィルタのうち長波長光の透過に適した長波長色フィルタ及び前記赤外光フィルタそれぞれの配列密度が、前記長波長色フィルタ以外の前記各色フィルタの配列密度より小さいものである。

他の本発明に係るカラーフィルタアレイは、赤色フィルタ、緑色フィルタ及び青色フィルタを配列要素として含むベイヤー配列のカラーフィルタアレイにおいて、前記赤色フィルタの一部を、赤外光を選択的に透過する赤外光フィルタで置き換え、当該カラーフィルタアレイ内に前記赤外光フィルタを分散配置したものである。

本発明の好適な態様は、前記赤外光フィルタ及び前記赤色フィルタが、当該カラーフィルタアレイ内に市松模様状に配置されるカラーフィルタアレイである。

本発明に係る固体撮像素子は、受光画素が、互いに異なる色に適合した感度を有する複数種類の色受光画素と、赤外光に適合した感度を有し、撮像部内に分散配置された赤外受光画素と、を含み、前記複数種類の色受光画素のうち長波長光に適合した感度を有する長波長用受光画素及び前記赤外受光画素それぞれの配列密度は、前記長波長用受光画素以外の前記色受光画素の配列密度より小さいものである。

本発明によれば、Ｒ画素等の長波長光に対応したフィルタ又は画素を間引いて、その位置に赤外光フィルタ又は赤外受光画素を設ける。これにより、Ｇ画素等、解像度に与える影響の大きい画素の数が確保され、良好な解像度が実現される。また、赤外光フィルタ又は赤外受光画素がカラーフィルタアレイに占める比率は従来よりも低く設定され、感度の低下が抑制される。一方、長波長光に対応した画素から得られる画像情報の解像度は、より短波長の光に対応した画素から得られる画像情報に比べて低い。これは、光の波長が長くなるほど、レンズの屈折率が低下することや、光が基板の深い部分まで到達し、そこで生じた電荷が横方向に拡散しやすいことによる。このように解像度が本来低い長波長に対応した画素を間引いても、解像度に与える影響は小さい。よって、この点でも、解像度の低下が抑制される。

以下、本発明の実施の形態（以下実施形態という）について、図面に基づいて説明する。

図１は、本実施形態に係る固体撮像素子の模式的な平面図である。この固体撮像素子は本発明の実施形態であるカラーフィルタアレイを搭載している。この固体撮像素子２は、フレーム転送型ＣＣＤイメージセンサであり、半導体基板上に形成される撮像部２ｉ、蓄積部２ｓ、水平転送部２ｈ、及び出力部２ｄを含んで構成される。

撮像部２ｉを構成する垂直シフトレジスタの各ビットは、それぞれ受光画素として機能する。各受光画素はカラーフィルタを配置され、そのカラーフィルタの透過特性に応じて、受光画素が感度を有する光成分が定まる。

図１の撮像部２ｉに搭載されるカラーフィルタの配列において、行番号α及び列番号βで指定される位置のフィルタの透過特性の種類Ｃ(α,β)は以下のようになる。ここで、行番号αは下側から順番に付し、列番号βは左側から順番に付す。また、Ｒ，Ｇ，Ｂ，ＩＲはそれぞれＲフィルタ、Ｇフィルタ、Ｂフィルタ、ＩＲフィルタを意味する。Ｒフィルタ、Ｇフィルタ、Ｂフィルタの透過特性はそれぞれ、図３のライン５０、ライン３０、ライン４０に示されている。
Ｃ(2λ-1,2μ-1) ＝ Ｂ
Ｃ(2λ-1,2μ ) ＝Ｃ(2λ ,2μ-1) ＝ Ｇ
Ｃ(4λ-2,4μ ) ＝Ｃ(4λ ,4μ-2) ＝ Ｒ
Ｃ(4λ-2,4μ-2) ＝Ｃ(4λ ,4μ ) ＝ ＩＲ
（但し、λ，μは自然数）

この配列は、それぞれ２×２画素ずつの２種類のブロック４，６に区切ることができる。これらブロック４，６は市松模様状に配列される。ブロック４は受光画素１０，１２，１４，１６で構成される。受光画素１０，１６はそれぞれＧフィルタを配置され、受光画素１４はＢフィルタ、受光画素１２はＲフィルタをそれぞれ配置される。一方、ブロック６は受光画素２０，２２，２４，２６で構成される。受光画素２０，２６はそれぞれＧフィルタを配置され、受光画素２４はＢフィルタ、受光画素２２はＩＲフィルタをそれぞれ配置される。すなわち、ブロック４とブロック６とは、一方がブロック内の右上に位置する受光画素１２にＲフィルタを配置されるのに対し、他方が同じくブロック内の右上に位置する受光画素２２にＩＲフィルタを配置される点で相違している。ここで、もし受光画素２２にブロック４と同様、Ｒフィルタを配置すれば、この撮像部２ｉに配置されるカラーフィルタアレイは、ベイヤー配列となる。言い換えれば、図１に示す撮像部２ｉのカラーフィルタアレイは、ベイヤー配列におけるＲフィルタのうち、互いに打ち違いの位置にある半数をＩＲフィルタに置換したものとなっている。

このカラーフィルタアレイの構成では、Ｇ画素はベイヤー配列と同じく、２×２画素内に２画素配置される。よって、ベイヤー配列と同等の解像度を確保し得る。またＢ画素もベイヤー配列と同様、２×２画素内に１画素確保される。Ｂ画素の検出対象のＢ成分は比較的に短波長であり、半導体基板内での信号電荷の拡散を生じにくく、よってＢ画素は高解像度の画像情報を取得可能であり、また、Ｂ画素はもともと感度が低いので、このＢ画素をＩＲ画素で置き換えない本構成は、Ｂ成分に対する解像度及び感度を確保できる。一方、Ｒ画素の検出対象のＲ成分は比較的に長波長である。長波長光に対しては、レンズの屈折率は低くなる傾向を有し、また、半導体基板内への光の進入長が長いため、光電変換が基板奥でも生じる結果、信号電荷が半導体基板内で拡散し易い。よって、Ｒ画素は画素数を多くしてもそれほど解像度の向上を図りにくい。逆に言えば、Ｒ画素を間引くことによる解像度の低下は比較的軽度である。そこで本カラーフィルタアレイの構成では、Ｒ画素を間引いて、代わりにＩＲ画素を配置している。

このＩＲ画素を撮像部２ｉに配列することにより、ＣＣＤイメージセンサ２が出力する画像信号の処理において、Ｒ，Ｇ，Ｂ各画素にてＩＲ成分に起因して生じる信号成分を補正することが可能である。よって、ＣＣＤイメージセンサとレンズとの間に赤外カットフィルタを配置することが必要でなくなる。

例えば、Ｒ，Ｇ，Ｂ各フィルタは、それぞれＲ，Ｇ，Ｂの波長域の光成分を透過するだけでなく、ＩＲ成分も透過する特性を有する。そのため、Ｇフィルタを配置された各受光画素１０，１６，２０，２６は、可視光だけでなくＩＲ成分も含む入射光に対して、図３のライン３０に示すように、Ｇ成分３２及びＩＲ成分３４に応じた信号電荷を発生する。また、同様に、Ｂフィルタを配置された各受光画素１４，２４は、ライン４０に示すように、Ｂ成分４２及びＩＲ成分４４に応じた信号電荷を発生し、Ｒフィルタを配置された受光画素１２は、ライン５０に示すように、Ｒ成分５２及びＩＲ成分５４に応じた信号電荷を発生する。

ＩＲフィルタはＩＲ成分を選択的に透過するので、これを配置された受光画素２２は、入射光中のＩＲ成分に応じた信号電荷を発生する。ちなみに、このＩＲフィルタは、ＲフィルタとＢフィルタとを積層して構成することができる。なぜならば、可視光のうちＢフィルタを透過するＢ成分はＲフィルタを透過せず、一方、Ｒフィルタを透過するＲ成分はＢフィルタを透過しないため、両フィルタを通すことで、基本的に可視光成分が除去され、もっぱら透過光には両フィルタを透過するＩＲ成分が残るからである。

例えば、ＣＣＤイメージセンサ２が出力する画像信号に対する信号処理を行うデジタル信号処理回路は、撮像部２ｉにおけるＲ，Ｇ，Ｂ，ＩＲ各受光画素の配列に対応してそれぞれ異なるサンプリング点にて得られたＲ，Ｇ，Ｂ，ＩＲ各データに対して空間的な補間処理を行い、画像を構成する各サンプリング点それぞれにて、Ｒ，Ｇ，Ｂ，ＩＲデータを定義する。これらＲ，Ｇ，Ｂ，ＩＲに対応するデータをそれぞれ〈Ｒ〉，〈Ｇ〉，〈Ｂ〉，〈IR〉と表す。

デジタル信号処理回路は、さらにそれらデータを用いて、輝度信号Ｙ及び色差信号Ｃr，Ｃbを生成する処理を行う。上述のようにＲ，Ｇ，Ｂ各フィルタはＩＲ成分を透過し得るので、〈Ｒ〉，〈Ｇ〉，〈Ｂ〉は、入射光のＲ，Ｇ，Ｂ成分に応じた信号成分Ｒ_０，Ｇ_０，Ｂ_０だけでなく、ＩＲ成分に応じたオフセット信号成分Ｉr，Ｉg，Ｉbを含む。すなわち、
〈Ｒ〉＝Ｒ_０＋Ｉr
〈Ｇ〉＝Ｇ_０＋Ｉg
〈Ｂ〉＝Ｂ_０＋Ｉb
である。デジタル信号処理回路は、本ＣＣＤイメージセンサ２の撮像部２ｉに配列されたＩＲ画素から得られる〈IR〉に基づいて、〈Ｒ〉，〈Ｇ〉，〈Ｂ〉に占めるオフセット信号成分Ｉr，Ｉg，Ｉbに応じた補正処理を行い、オフセット信号成分Ｉr，Ｉg，Ｉbにより生じる影響が除去、緩和されたＹ，Ｃr，Ｃbを生成する。

なお、上述の構成では、Ｒフィルタの数とＩＲフィルタの数とは１：１であったが、他の比率に設定することもできる。すなわち、Ｒフィルタを間引いてＩＲフィルタとする数は、より多くすることも少なくすることもできる。

また、ベイヤー配列以外の他の配列のカラーフィルタアレイにも本発明を適用することができる。すなわち、或るカラーフィルタアレイを構成するフィルタのうち最も長波長成分を透過するものを間引き、代わりにＩＲフィルタを配置して得られるカラーフィルタアレイも、解像度や感度の低下を抑制しつつ、ＩＲ成分の画像信号を取得可能な固体撮像素子を提供することができる。

実施形態に係る固体撮像素子の模式的な平面図である。 赤外光フィルタを有した従来のカラーフィルタアレイの構成を示す模式的な平面図である。 ＲＧＢ各受光画素の分光感度特性を示すグラフである。

符号の説明

２ ＣＣＤイメージセンサ、１０，１２，１４，１６，２０，２２，２４，２６ 受光画素。

Claims (4)

1. 基板上に二次元的に配列された複数の受光画素それぞれに対応して配置される要素フィルタからなるカラーフィルタアレイにおいて、
   前記要素フィルタは、
   互いに異なる色を透過する複数種類の色フィルタと、
   赤外光を選択的に透過し、当該カラーフィルタアレイ内に分散配置された赤外光フィルタと、
   を含み、
   前記複数種類の色フィルタのうち長波長光の透過に適した長波長色フィルタ及び前記赤外光フィルタそれぞれの配列密度は、前記長波長色フィルタ以外の前記各色フィルタの配列密度より小さいこと、
   を特徴とするカラーフィルタアレイ。
2. 赤色フィルタ、緑色フィルタ及び青色フィルタを配列要素として含むベイヤー配列のカラーフィルタアレイにおいて、
   前記赤色フィルタの一部を、赤外光を選択的に透過する赤外光フィルタで置き換え、
   当該カラーフィルタアレイ内に前記赤外光フィルタを分散配置したこと、
   を特徴とするカラーフィルタアレイ。
3. 請求項２に記載のカラーフィルタアレイにおいて、
   前記赤外光フィルタ及び前記赤色フィルタは、当該カラーフィルタアレイ内に市松模様状に配置されること、を特徴とするカラーフィルタアレイ。
4. 基板上に二次元的に配列された複数の受光画素からなる撮像部を有する固体撮像素子において、
   前記受光画素は、
   互いに異なる色に適合した感度を有する複数種類の色受光画素と、
   赤外光に適合した感度を有し、前記撮像部内に分散配置された赤外受光画素と、
   を含み、
   前記複数種類の色受光画素のうち長波長光に適合した感度を有する長波長用受光画素及び前記赤外受光画素それぞれの配列密度は、前記長波長用受光画素以外の前記色受光画素の配列密度より小さいこと、
   を特徴とする固体撮像素子。
   

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