JP2007053731A - 物理情報取得方法および物理情報取得装置並びに半導体装置 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】フィルタC1,C2,C3を通して可視光領域内を波長分離して各検知部で検知するとともに、フィルタC4を通して赤外光領域を波長分離して検知部で検知する。フィルタC1,C2,C3を通して検知される信号SC1,SC2,SC3を、フィルタC4を通して検知される信号SC4を使って補正することで、赤外光領域成分の影響を排除した可視光領域成分に関わる撮像信号を取得する。
【選択図】図1
Description
図1は、補正演算により可視光カラー画像と赤外光画像をそれぞれ独立に求めることを常時可能にする色分離フィルタの配置例の基本構造を示す図である。ここでは、可視光カラー画像用に色フィルタC1,C2,C3(何れも第1の波長領域成分を透過)の3つの波長領域(色成分)用のものと、色フィルタC1,C2,C3の成分とは異なる第2の波長領域の成分として赤外光用の色フィルタC4といった別個のフィルタ特性を有する4種類の色フィルタを規則的(本例では正方格子状)に配設している。色フィルタC1,C2,C3,C4を通して対応する検知部で検知することで、それぞれの成分を独立して検知することができる。色フィルタC1,C2,C3が配される検知部が第1の検知部であり、色フィルタC4が配される検知部が第2の検知部である。また、色フィルタC1,C2,C3が配される検知部(検知要素)は、第1の波長領域をさらに波長分離して検知するためのものである。
図2は、本発明に係る物理情報取得装置の一例である撮像装置の概略構成を示す図である。この撮像装置300は、可視光カラー画像および近赤外光画像を独立に得る撮像装置になっている。
図3は、図1に示す色分離フィルタ配置を、インターライン転送方式のCCD固体撮像素子(IT_CCDイメージセンサ)に適用した場合の撮像装置の回路図である。
図4は、図1に示す色分離フィルタ配置を、CMOS固体撮像素子(CMOSイメージセンサ)に適用した場合の撮像装置の回路図である。
図5は、可視光像と赤外光画像とを分離して取得する構造のイメージセンサを用いる場合の信号取得方法の一例を説明する図である。ここではCMOS構造の場合で示す。なお、図5(A)は回路図、図5(B)は信号タイミング図である。
図6は、固体撮像素子314の第1実施形態を説明する図である。この第1実施形態の固体撮像素子314は、誘電体積層膜を利用して電磁波を所定波長ごとに分光する波長分離の概念を採り入れた点に特徴を有する。ここでは、電磁波の一例である光を所定波長ごとに分光することを例に説明する。
誘電体積層膜1は、図6(A)に示すように、隣接する層間で屈折率nj(jは2以上の正の整数;以下同様)が異なり(屈折率差Δn)、所定の厚みdjを持つ層を複数積層した構造を有する積層部材である。これによって、後述するように、電磁波の内の所定の波長領域成分を反射させ残りを通過させる特性を持つようになる。
<厚みdjの設計手法>
図7〜図9は、誘電体積層膜1を設計する手法の基本概念を説明する図である。ここでは、誘電体積層膜1を、基本的な第1および第2の層材で構成しつつ、赤外光IRを選択的に反射させるような設計例を述べる。
図10〜図12は、反射中心波長λ0の条件を説明する図である。厚みdjの数値条件は、スペクトルの赤外反射領域のバンド幅ΔλIRに依存する。反射スペクトルの概念を示した図10(A)のように、赤外反射領域のバンド幅ΔλIRが広い場合には長波長側に中心波長λ0を持っていかないと可視光VLでの反射が顕著になる。また反射スペクトルの概念を示した図10(B)のように、逆に赤外反射領域のバンド幅ΔλIRが狭い場合には、短波長側に中心波長λ0を持っていかないと可視光VLに近い赤外領域での反射が起こらなくなる。可視光VLと赤外光IRの波長分離性能が非常によい。
図13〜図17は、誘電体積層膜1を利用した固体撮像素子314への適用に好適な分光イメージセンサ11の一実施形態を説明する図である。この分光イメージセンサ11は、誘電体積層膜1を利用した分光フィルタ10の基本的な設計手法を用いて構成されるものである。ここでは、赤外光IRを選択的に反射させるような誘電体積層膜1を半導体素子層上に形成することで、赤外光IRをカットして可視光VL成分を受光するようにした分光イメージセンサ11の設計例を述べる。
図18〜図30は、誘電多層膜を利用した分光フィルタ10および分光イメージセンサ11の変形例を示す図である。上記の分光フィルタ10の構造は、誘電体積層膜1を利用した基本構造を示したもののであり、その他の様々な変形が可能である。同様に、上記の分光イメージセンサ11の構造は、誘電体積層膜1を利用した分光フィルタ10をCMOSやCCDなどの受光部上に形成する基本構造を示したもののであり、その他の様々な変形が可能である。たとえば、詳細は割愛するが、分光フィルタ10や分光イメージセンサ11の変形例としては、本願出願人が特願2004−358139号にて提案しているように様々な構成を採用することができる。
図31は、上記実施形態で説明した積層膜を利用したセンサ構造の分光イメージセンサを製造する具体的なプロセス例を示す図である。この図31は、赤外光IR用の受光部と可視光VL用の受光部とを備えた分光イメージセンサの製造プロセス例である。
図32〜図38は、誘電体積層膜1を利用した単波長分波対応の分光イメージセンサ11の第6の変形例を説明する図である。第6の変形例は、図13〜図17にて説明した手法を基本として、メタル配線を考慮して、シリコン基板1_ωよりある程度距離の離れた上側において、誘電体積層膜1をシリコン基板1_ω上に、フォトダイオードなどの検知部と一体的に形成する点に特徴を有する。
図39は、固体撮像素子314の第2実施形態を説明する図である。この第2実施形態の固体撮像素子314は、回折格子を利用して電磁波を所定波長ごとに分光する波長分離の概念を採り入れた点に特徴を有する。ここでは、電磁波の一例である光を所定波長ごとに分光することを例に説明する。
図40は、回折格子を利用した分波イメージセンサ(分光イメージセンサ)の基本構成を説明する概念図である。また図41は、図40に示した分光イメージセンサ511の1つのフォトダイオード群512部分を拡大して示した図である。
図42は、回折格子501をSi基板509(分光イメージセンサ510のフォトダイオード群512に対応する)の入射面側に配した赤外光分離対応の分波イメージセンサを説明する図であって、赤外光と可視光を分光する分光イメージセンサ511の断面構造を示す。ハッチング部分がSi材料を示し、それ以外の白色部分が酸化膜SiO2を示し、本実施形態の分光イメージセンサ511は、全体として、Si基板509上に酸化膜SiO2が形成されている。
図44〜図48は、図42に示す構造を持つ分光イメージセンサ511に受光面(図中の下側)から各波長成分の光を入れたときの赤外光と可視光との分光手法を説明する計算シミュレーション図(FDTD法による光場計算で行なったもの)である。図44〜図48において、Z=2.5μmの横破線はフォトダイオード群512とシリコン酸化膜SiO2との界面(センサ表面)を表す。
図49は、上記シミュレーション結果に基づく可視光と赤外光との分光における検出位置の適正例を説明する図である。
図50は、図49の検出位置に対応した赤外光対応のセンサ構造の一構成例を示す断面図である。この分光イメージセンサ511は、p型Si基板509内において、それぞれのフォトダイオード群512ごとに、可視光(青色光、緑色光、および赤色光)と赤外光のそれぞれに対応する幅方向(図中のX方向)および深さ方向(図中のZ方向)の各検出位置にn型の不純物をドープする。
図51は、固体撮像素子314の第3実施形態を説明する図である。この第3実施形態の固体撮像素子314は、特許文献1,2に記載の仕組みと同様に、半導体の深さ方向における波長による吸収係数の違いを利用した単板式のものである。
以上説明したように、各種構造の固体撮像素子314の構成例について説明したが、何れも、可視光成分に赤外光成分が混入して検知部に侵入してしまうことになって、可視光像を表わす信号強度に赤外信号が加算されてしまい、可視光カラー画像の色再現が悪化する問題を有する。たとえば、誘電体積層膜を利用した仕組みでは、赤外光と可視光の像を同時に取り入れることで高感度化や赤外通信機能など高機能化を達成できるものの、可視光であるRGB原色フィルタまたはCyMgYe補色フィルタの画素では赤外光を完全に反射させないと赤外光が一部漏れて検知部に侵入してしまうことになって、信号強度に赤外信号が加算されて色再現が悪化することになる。以下、この点について説明する。
このような問題を解決するべく、本実施形態の撮像装置300は、画像信号処理部340に赤外光補正処理部342を備えることで、可視光を受光する検知領域における赤外光混入による色再現問題の解決を図るようにしている。こうすることで、光学的な波長分離手段(典型例は赤外光カットフィルタ)をイメージセンサの前に設けなくても信号処理によって可視光領域に対しての不要成分である赤外光を抑制・除去できる。赤外光の漏れが可視光検知部の検知結果に存在しても、その不要な赤外光の成分を信号処理により抑制・除去できるので、十分な色再現性の可視光カラー画像を取得できる撮像装置の実現に際し、イメージセンサの使用範囲が広くなる。以下、その手法について、具体的に説明する。
図61は、補正演算により可視光カラー画像と赤外光画像をそれぞれ独立に求めることを常時可能にする色分離フィルタ配置の第1の具体例(以下第1具体例という)を示す図である。この第1具体例は、可視光カラー画像に対する補正用の検知領域として、可視光を排除し赤外光のみを受光・検知する検知領域を設ける点に特徴を有する。
図64〜図67は、第1具体例における赤外光成分の補正手法を説明する図である。ここで、図64は、第1具体例において用いる色フィルタ14の特性例を示す図である。また図65〜図67は、補正演算で用いる係数の設定手法を説明する図である。
上記の第1具体例では、誘電体積層膜を利用したCCD固体撮像素子101への適用事例において、可視光を排除し赤外光のみを受光・検知する検知領域を設けるべく、2つの緑(G)のうちの一方を黒色フィルタBKに置き換えていたが、回折格子501を利用した分光イメージセンサ511や半導体の深さ方向における波長による吸収係数の違いを利用した固体撮像素子611においても、可視光を排除し赤外光のみを受光・検知する検知領域を設け、この検知領域から得られる赤外光信号を使って赤外光画像を得るとともに、この赤外光信号を、カラー画像撮像用の色フィルタ(たとえば原色フィルタR,G,B)を配した画素から得られる可視光カラー画像に対して補正に使用することもできる。
図68は、補正演算により可視光カラー画像と赤外光画像をそれぞれ独立に求めることを常時可能にする色分離フィルタ配置の第2の具体例(以下第2具体例という)を示す図である。この第2具体例は、可視光カラー画像に対する補正用の検知領域として、赤外光とともに可視光の全波長成分をも受光・検知する検知領域を設ける点に特徴を有する。
図70は、第2具体例における赤外光成分の補正手法を説明する図である。色フィルタ14が配されていない白色補正画素12Wを設けることで、撮像素子に入射してくる赤外光IRと可視光の合成成分を示す信号値SWとして画素12IRにより測定できる。
つまり、白色補正画素12Wから得られる信号値SWに含まれる赤外光成分IRのみの信号強度SIRを、原色フィルタ画素で得られる信号成分SR,SG,SBを使って見積もることができる。
以上のように、白色補正画素12Wを用いた場合の補正手法として、線形項のみでなる上記式(5−1)に従った第1例の補正演算について説明したが、非線形項を加えた補正演算にすることで、さらに色差を小さくすることもできる。非線形項を考慮する点では上記式(5−2)と共通するが、摘要の考え方が異なる。この点について、以下詳細に説明する。
図71および図72は、第2具体例の第3例の補正手法を説明する図である。式(12)や式(13)では、色差が小さくなるように、赤外光成分IRと本来の信号成分Sとの積(S×IR)に所定の係数を掛けた2次の信号成分を含む非線形な補正信号成分を加算していたが、色信号Sと計数ηの差(S−η)の2次以上の高次式の補正成分を利用することもできる。
図73および図74は、補正演算により可視光カラー画像と赤外光画像をそれぞれ独立に求めることを常時可能にする色分離フィルタの配置例の具体例の第3例(以下第3具体例という)を示す図である。この第3具体例は、可視光カラー画像に対する補正用の検知領域として、赤外光とともに可視光内のある特定の波長成分を受光・検知する検知領域を設ける点に特徴を有する。
図75〜図81は、誘電体積層膜1を利用した分光イメージセンサ11に、可視光カラー画像に対する補正用の画素を設ける場合における解像度低下を考慮した画素配列を説明する図である。
たとえば、RGB原色フィルタを用いつつ可視光カラー画像の解像度低下を抑えるには、可視光領域のGの画素の配置密度を維持し、可視光領域の残りのRもしくはBの画素を、補正用の黒画素や白画素や緑色画素に置き換えるとよい。たとえば図75に示すように、2行2列の単位画素マトリクス12内において先ず、奇数行奇数列および偶数行偶数列に可視光領域の緑色成分を感知するためのカラー画素Gを配し、偶数行奇数列には補正用の黒画素(図75(A))や白画素(図75(B))や緑色画素(図示せず)を配する。
また、CyMgYe補色フィルタを用いつつ可視光カラー画像の解像度低下を抑えるには、可視光領域のMgの画素の配置密度を維持し、可視光領域の残りのRもしくはBの画素を、補正用の黒画素や白画素や緑色画素に置き換えるとよい。たとえば図79に示すように、2行2列の単位画素マトリクス12内において、先ず、奇数行奇数列および偶数行偶数列に可視光領域のマゼンタ色成分を感知するためのカラー画素Mgを配し、偶数行奇数列には補正用の黒画素(図79(A))や白画素(図79(B))やマゼンタ色画素(図示せず)を配する。なお、マゼンタ色Mgの内の一方を緑色Gに置き換えることもできる。
なお、上記例では、正方格子状に色フィルタを配置する事例を説明したが、斜め格子状に配列することもできる。たとえば、図81(A)に示す配置態様は、図75(B)に示す配置態様を、右回りに略45度だけ回転させた状態の画素配列になっている。また図81(B)に示す配置態様は、図77(B)に示す配置態様を、右回りに略45度だけ回転させた状態の画素配列になっている。このように、斜め格子状に配列すると、垂直方向と水平方向の各画素密度が増すことになり、その方向での解像度をさらに高くすることができるのである。
図82〜図93は、黒色補正画素を用いて、可視光カラー画像の色再現性を補正する仕組みの実験例を説明する図である。
図94〜図101は、白色補正画素を用いて、可視光カラー画像の色再現性を補正する仕組みの実験例を説明する図である。
なお、式(5)や式(12)などを適用して補正演算を行なうと、この補正演算に伴うノイズ(S/N)劣化が懸念される。しかしながら、実験によれば、問題のないことが分かった。以下、この点について説明する。
Claims (20)
- 電磁波を検知する検知部と、前記検知部で検知された電磁波量に基づいて対応する単位信号を生成して出力する単位信号生成部を単位構成要素内に含み、当該単位構成要素が所定の順に同一基板上に配された物理量分布検知のための装置を使用して、前記単位信号に基づいて所定目的用の物理情報を取得する物理情報取得方法であって、
第1の波長領域の成分について当該第1の波長領域の成分とは異なる第2の波長領域の成分と予め分離して第1の前記検知部で検知するととともに、少なくとも前記第2の波長領域の成分を含む補正用の波長領域の成分を第2の前記検知部で検知し、
前記第1の検知部で検知された単位信号を、前記第2の検知部で検知された単位信号を使って補正することにより、前記第2の波長領域の成分の影響を排除した前記第1の波長領域の成分に関わる物理情報を取得する
ことを特徴とする物理情報取得方法。 - 前記第1の検知部で検知された単位信号から、前記第2の検知部で検知された単位信号に所定の係数を掛けた信号成分を減算することにより前記補正を行なう
ことを特徴とする請求項1に記載の物理情報取得方法。 - 前記補正用の波長領域の成分は前記第1の波長領域の成分を含まない
ことを特徴とする請求項1に記載の物理情報取得方法。 - 前記補正用の波長領域の成分は前記第1の波長領域の成分を含み、この補正用の波長領域の成分から前記第1の検知部で検知された単位信号を使って補正することにより、前記第1の波長領域の成分を排除した前記第2の波長領域の成分のみの単位信号を取得し、
この補正後の前記第2の波長領域の単位信号を使って前記第1の検知部で検知された単位信号に対して前記補正を行なう
ことを特徴とする請求項1に記載の物理情報取得方法。 - 前記第1の波長領域の成分を含まない前記第2の検知部で検知される一方の前記補正用の波長領域の単位信号を使って前記第1の検知部で検知された単位信号に対して第1の前記補正を行なうとともに、
前記第1の波長領域の成分を含む前記第2の検知部で検知される他方の前記補正用の波長領域の成分の単位信号を前記第1の検知部で検知された単位信号を使って補正することにより、前記第1の波長領域の成分を排除した前記第2の波長領域の成分のみの単位信号を取得し、この補正後の前記第2の波長領域の単位信号を使って前記第1の検知部で検知された単位信号に対して第2の前記補正を行なう
ことを特徴とする請求項1に記載の物理情報取得方法。 - 電磁波を検知する検知部と、前記検知部で検知された電磁波量に基づいて対応する単位信号を生成して出力する単位信号生成部を単位構成要素内に含み、当該単位構成要素が所定の順に同一基板上に配された物理量分布検知のための装置を使用して、前記単位信号に基づいて所定目的用の物理情報を取得する物理情報取得装置であって、
第1の波長領域の成分について、当該第1の波長領域の成分とは異なる第2の波長領域の成分と予め分離して検知する第1の検知部と、
少なくとも前記第2の波長領域の成分を含む補正用の波長領域の成分を検知する第2の検知部と、
前記第1の検知部で検知された単位信号を、前記第2の検知部で検知された単位信号を使って補正することにより、前記第2の波長領域の成分の影響を排除した前記第1の波長領域の成分に関わる物理情報を取得する信号処理部と
を備えたことを特徴とする物理情報取得装置。 - 電磁波を検知する検知部と、前記検知部で検知された電磁波量に基づいて対応する単位信号を生成して出力する単位信号生成部を単位構成要素内に含み、当該単位構成要素が所定の順に同一基板上に配された物理量分布検知のための装置であって、第1の波長領域の成分について、当該第1の波長領域の成分とは異なる第2の波長領域の成分と予め分離して検知する第1の検知部と、少なくとも前記第2の波長領域の成分を含む補正用の波長領域の成分を検知する第2の検知部とを備えたものを使用して、前記単位信号に基づいて所定目的用の物理情報を取得する物理情報取得装置であって、
前記第1の検知部で検知された単位信号を、前記第2の検知部で検知された単位信号を使って補正することにより、前記第2の波長領域の成分の影響を排除した前記第1の波長領域の成分に関わる物理情報を取得する信号処理部
を備えたことを特徴とする物理情報取得装置。 - 前記信号処理部は、前記第1の検知部で検知された単位信号から、前記第2の検知部で検知された単位信号に所定の係数を掛けた信号成分を減算することにより前記補正を行なう
ことを特徴とする請求項6または7に記載の物理情報取得装置。 - 前記信号処理部は、さらに、前記第2の検知部で検知された単位信号と前記第1の検知部で検知された単位信号との積に所定の係数を掛けた非線形の信号成分を加算することにより前記補正を行なう
ことを特徴とする請求項8に記載の物理情報取得装置。 - 前記第2の検知部は、前記第1の波長領域の成分を含まない前記補正用の波長領域の成分の単位信号を検知するものである
ことを特徴とする請求項6または7に記載の物理情報取得装置。 - 前記第2の検知部は、前記第1の波長領域の成分を含む前記補正用の波長領域の成分の単位信号を検知するものであり
前記信号処理部は、前記第2の検知部で検知される補正用の波長領域の成分の単位信号を前記第1の検知部で検知された単位信号を使って補正することにより、前記第1の波長領域の成分を排除した前記第2の波長領域の成分のみの単位信号を取得し、この補正後の前記第2の波長領域の単位信号を使って前記第1の検知部で検知された単位信号に対して前記補正を行なう
ことを特徴とする請求項6または7に記載の物理情報取得装置。 - 前記第2の検知部として、前記第1の波長領域の成分を含まない前記補正用の波長領域の成分の単位信号を検知するものと、前記第1の波長領域の成分を含む前記補正用の波長領域の成分の単位信号を検知するものとが存在しており、
前記信号処理部は、前記第1の波長領域の成分を含まない前記第2の検知部で検知される一方の前記補正用の波長領域の単位信号を使って前記第1の検知部で検知された単位信号に対して第1の前記補正を行なうとともに、前記第1の波長領域の成分を含む前記第2の検知部で検知される他方の前記補正用の波長領域の成分の単位信号を前記第1の検知部で検知された単位信号を使って補正することにより、前記第1の波長領域の成分を排除した前記第2の波長領域の成分のみの単位信号を取得し、この補正後の前記第2の波長領域の単位信号を使って前記第1の検知部で検知された単位信号に対して第2の前記補正を行なう
ことを特徴とする請求項6または7に記載の物理情報取得装置。 - 前記第2の検知部の検知時間を制御する駆動部を備えている
ことを特徴とする請求項6または7に記載の物理情報取得装置。 - 前記信号処理部は、前記第2の検知部で検知される補正用の波長領域の成分の単位信号を複数回積算し、この積算後の前記第2の波長領域の単位信号を使って前記第1の検知部で検知された単位信号に対して前記補正を行なう
ことを特徴とする請求項6または7に記載の物理情報取得装置。 - 電磁波を検知する検知部と、前記検知部で検知された電磁波量に基づいて対応する単位信号を生成して出力する単位信号生成部を単位構成要素内に含み、当該単位構成要素が所定の順に同一基板上に配された物理量分布検知のための半導体装置であって、
第1の波長領域の成分と当該第1の波長領域の成分とは異なる第2の波長領域の成分とを予め分離して検知する第1の検知部と、少なくとも前記第2の波長領域の成分を含む補正用の波長領域の成分を検知する第2の検知部とを同一基板上に備えている
ことを特徴とする半導体装置。 - 前記第1の検知部と前記第2の検知部とが、一定の数比を持って周期的に配されている
ことを特徴とする請求項15に記載の半導体装置。 - 複数の前記第1の検知部に対して1つの前記第2の検知部が配されている
ことを特徴とする請求項16に記載の半導体装置 - 前記第1の検知部と前記第2の検知部とが1対1に配されている
ことを特徴とする請求項15に記載の半導体装置。 - 前記第1の検知部は前記第1の波長領域の成分をさらに波長分離して検知する複数の検知要素の組合せからなり、
前記第1の検知部の前記複数の検知要素と前記第2の検知部とが2次元格子状に配されており、かつ、前記複数の検知要素の内のある波長成分を検知するものが市松模様となるように配されている
ことを特徴とする請求項15に記載の半導体装置。 - 前記第1の検知部は前記第1の波長領域の成分をさらに波長分離して検知する複数の検知要素の組合せからなり、
前記第1の検知部の前記複数の検知要素と前記第2の検知部とが2次元格子状に配されており、かつ、前記第2の検知部が市松模様となるように配されている
ことを特徴とする請求項15に記載の半導体装置。
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