JP2007311447A - 光電変換装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】カラー再現性の高い画像を撮像することを可能とする光電変換装置を提供する。
【解決手段】可視光領域から赤外光領域までの波長領域に対して光電変換の感度を有する光電変換素子２０を含む複数の画素と、複数の画素の一部の受光面側に配置された可視光領域を透過領域とするカラーフィルタ２２Ｒ，２２Ｇ，２２Ｂと、複数の画素の残りの受光面側に配置された赤外光領域を透過領域とする赤外フィルタと、複数の画素の受光面側に設けられた６５０ｎｍ以上７５０ｎｍ以下の波長領域の光を遮断するカットフィルタ２４とを備えることによって上記課題を解決することができる。
【選択図】図２

Description

本発明は、近赤外領域を遮断するカットフィルタを備えた光電変換装置に関する。
カメラに装着されるＣＣＤ（Ｃｈａｒｇｅ Ｃｏｕｐｌｅｄ Ｄｅｖｉｃｅ：電荷結合素子）やＣ−ＭＯＳ（Ｃｏｍｐｌｅｍｅｎｔａｒｙ Ｍｅｔａｌ Ｏｘｉｄｅ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）等の撮像素子は、二次元に配列され、光を電気信号に変換する光電変換素子を備える。シリコン基板上に形成された光電変換素子は、可視光領域（３８０ｎｍ〜７００ｎｍ程度）から赤外光領域（７００ｎｍ〜１１００ｎｍ程度）までの光電変換感度を有する。したがって、カラー撮像を行うためには、光電変換素子の受光面側に原色（ＲＧＢ）系又は補色（ＹＭＣ）系のカラーフィルタを配置し、入射光をカラーフィルタで色分解して各波長領域毎に光電変換を行う。
また、図７の平面図に示すように、原色（ＲＧＢ）系(又は補色（ＹＭＣ）系)のカラーフィルタを設けた画素に加えて、赤外光領域（ＩＲ）を透過領域とする赤外フィルタを受光面側に備えた画素をモザイク状に組み合わせることによって、可視光のカラー撮像のみならず、赤外領域での撮像も可能とした光電変換装置も用いられている。例えば、昼間の屋外での撮像ではカラーフィルタを備えた画素で得られた信号から赤外フィルタを備えた画素で得られた信号を減算してカラー画像の撮像を行い、夜間や暗い屋内での撮像では赤外フィルタを備えた画素で得られた信号と赤外光も透過できるカラーフィルタを備えた画素で得られた信号とを用いて撮像を行うことができる。
特開平１１−２３９３５６号公報
図８に、原色（ＲＧＢ）系のカラーフィルタを備えたＣＣＤ撮像素子の感度の波長依存性を示す。図８において、横軸は光の波長（ｎｍ）を示し、縦軸は相対的な透過率を示す。赤、緑、青に対するカラーフィルタは、図８のラインＲ，Ｇ，Ｂにそれぞれ示すように、６５０ｎｍ以上の赤外光領域の光に対して感度を有する。したがって、各カラーフィルタを備えた画素で生成される情報電荷には赤外光領域の光によって生成される電荷が含まれることになる。この赤外光領域の光による電荷は、カラー画像においてノイズとして重畳されることになる。
例えば、図９に示すように、自然光を反射する植生からの反射光には６５０ｎｍ以上の赤外光の成分が多く含まれる。植生をカラー撮像する際には赤や青に対するカラーフィルタを備えた画素においてもカラーフィルタを透過した赤外光によって情報電荷が生成されるため、赤，青，緑の画素から得られた信号によってカラー画像を構成した場合に赤外光によるノイズ成分が大きくなり、植生が自然な緑色として表現されなくなる問題を生ずる。
また、光電変換装置では、カラー撮像においては赤外光領域の光の影響を除いてカラー再現性を高めることが要求されている。しかしながら、図８に示すように、６５０ｎｍ〜８００ｎｍの近赤外領域に対するカラーフィルタの透過特性は各色において異なっており、各色に対して一律の処理を施すことによって近赤外領域の光によるノイズを除去することが困難である。
本発明は、可視光領域及び赤外光領域での撮像が可能な光電変換装置において、可視光領域におけるカラー再現性を高めることを目的とする。
本発明は、入射光を受けて、入射光の強度に応じた電荷を生成する光電変換装置であって、可視光領域から赤外光領域までの波長領域に対して光電変換の感度を有する光電変換素子をそれぞれ含む複数の画素と、前記複数の画素の一部の受光面側に配置された可視光領域及び赤外光領域を透過領域とするカラーフィルタと、前記複数の画素の残りの受光面側に配置された赤外光領域を透過領域とする赤外フィルタと、前記複数の画素の受光面側に設けられた６５０ｎｍ以上７５０ｎｍ以下の波長領域の光を遮断するカットフィルタと、を備えることを特徴とする。
この光電変換装置によれば、カラー画像を撮像する際に、可視光領域以外の成分によるノイズを従来よりも取り除き、カラー再現性の高い画像を得ることができる。
ここで、前記カラーフィルタは、赤・緑・青、イエロー・シアン・マゼンダ、イエロー・シアン・グリーン及びイエロー・シアン・マゼンダ・グリーンのいずれか１の組み合わせに含まれる３色又は４色であることが好適である。前記カラーフィルタの少なくとも２種類は、赤外光領域の光を透過するフィルタであり、前記赤外フィルタは、前記カラーフィルタのうち赤外光領域の光を透過するカラーフィルタを積層して構成されることが好適である。
このカラー撮像素子によれば、別途赤外光透過フィルタを備える必要が無いため、低コストで高感度なカラー撮像素子を実現することができる。
特に、前記赤外フィルタは、赤及び青のカラーフィルタを積層して構成されることが好適である。また、前記赤外フィルタは、イエロー、シアン及びマゼンダのカラーフィルタを積層して構成されることも好適である。
このような光電変換装置では、前記カラーフィルタが受光面側に配置された画素から出力された信号を前記赤外フィルタが受光面側に配置された画素から出力された信号によって補正することができる。
また、前記赤外フィルタが設けられた画素は、前記カラーフィルタが設けられた画素より構成される撮像領域の外縁の一部に設けてもよい。このような構成によれば、撮像のための可視光成分および赤外光成分を光電変換する光電変換素子を緻密に配列できるため高解像度の撮像を行うことができ、かつ被写体の赤外光成分を検出し、赤外光成分を補正するための赤外光信号を選択的に出力することができるので、適切な色再現を行うことができる。
本発明によれば、可視光領域及び赤外光領域の両方において撮像が可能な光電変換装置において、カラー再現性の高い画像を撮像することが可能となる。すなわち、良好なカラー画像を得ることができる。
本発明の実施の形態における光電変換装置１００は、図１に示すように、撮像部１０、クロック制御部１２、信号処理部１４及び赤外光源１６を含んで構成される。光電変換装置１００は、撮像部１０において入射光に応じた情報電荷を生成し、クロック制御部１２から撮像部１０に供給されるクロック信号（φｖ，φｈ，φｏ）によって情報電荷を転送する。情報電荷は電気信号（ＳＲ，ＳＧ，ＳＢ，ＳＩＲ）に変換されて信号処理部１４へと順次出力され、信号処理部１４においてノイズ除去等の処理が施される。
また、光電変換装置１００は、昼間の屋外や明るい屋内ではカラー画像の撮像を可能とし、夜間の屋外や暗い屋内では赤外画像の撮像を可能とする。赤外画像の撮像を行う場合、撮像のタイミングに応じてクロック制御部１２から赤外光源１６へと光源オン信号（Ｌｏｎ）を出力することによって、赤外光源１６から被写体に対して赤外領域の光を照射し、被写体からの反射光によって撮像することもできる。
撮像部１０は、図２の平面図及び図３，図４の断面図に示すように、光電変換素子２０、カラーフィルタ２２Ｒ，２２Ｇ，２２Ｂ、近赤外カットフィルタ２４、垂直レジスタ２６、水平レジスタ２８及び出力部３０を含んで構成される。ここで、図３は、図２のＡ−Ａに沿った断面図を示し、図４は、図２のＢ−Ｂに沿った断面図を示す。
本実施の形態では、撮像部１０には、それぞれ光電変換素子２０を含む複数の画素がマトリックス状に配置されている。各光電変換素子２０は、ＳｉフォトダイオードやＣＭＯＳセンサで構成することができる。垂直レジスタ２６及び水平レジスタ２８はそれぞれＣＣＤ（Ｃｈａｒｇｅ Ｃｏｕｐｌｅｄ Ｄｅｖｉｃｅ：電荷結合素子）から構成される。光電変換素子２０は、垂直レジスタ２６に結合されており、光電変換素子２０での光電変換によって生成された情報電荷は、クロック制御部１２からのクロック信号（φｖ）に応じて垂直レジスタ２６により垂直方向（図２の下方向）に転送され、水平レジスタ２８へと出力される。情報電荷は、クロック制御部１２からのクロック信号(φｈ)に応じて水平レジスタ２８によって水平方向（図２の左方向）に転送され、出力部３０において電圧信号に変換されて信号処理部１４へ順次出力される。
マトリックス状に配置された画素の受光面側には、図８のラインＲで示すように赤色の波長領域を透過するカラーフィルタ２２Ｒ、図８のラインＧで示すように緑色の波長領域を透過するカラーフィルタ２２Ｇ、図８のラインＢで示すように青色の波長領域を透過するカラーフィルタ２２Ｂ、並びに、カラーフィルタ２２Ｒ及びカラーフィルタ２２Ｂを重ねることによって赤外領域を透過する赤外フィルタがそれぞれ配置される。撮像部１０には、これら４つの異なる波長領域を透過領域とするフィルタがそれぞれ配置された画素がモザイク状に配置される。ここで、モザイク状とは、４つの異なる波長領域を透過領域とするフィルタを備える画素が二次元状に偏り無く配置されていることを意味する。
カラーフィルタ２２Ｒは、約３５０ｎｍから約４２０ｎｍに向けて透過率が徐々に下がり、約４２０ｎｍ〜約５００ｎｍの波長領域の光はほぼ透過させず、約５００ｎｍから透過率が再び上昇し、約５５０ｎｍより長い波長の光に対して高い透過率を有する。カラーフィルタ２２Ｇは、約３６０〜約４２０ｎｍの波長領域の光はほぼ透過させず、約４２０ｎｍより長い波長の光から透過が増え、緑色である約５２０ｎｍにピークを有し、約６５０ｎｍに向けて透過率が徐々に低下し、約６５０ｎｍより長波長領域では再び透過率が徐々に上昇し、約８８０ｎｍより長波長の赤外光に対しては高い透過率を有する。カラーフィルタ２２Ｂは、約３８０ｎｍより長い波長の光から透過が増え、青色である約４６０ｎｍにピークを有し、約５８０ｎｍに向けて透過率が低下し、約６２０ｎｍより長波長領域では再び透過率が徐々に上昇し、約６９０ｎｍで小さなピークを有し、約８００ｎｍより長波長の赤外光に対しては高い透過率を有する。一方、光電変換素子２０は、約５００ｎｍに最大の感度を持ち、可視光領域の７８０ｎｍを超え、１１００ｎｍ程度の赤外領域まで感度を有する。
また、本実施形態においては、図２及び図３に示すように、カラーフィルタ２２Ｒとカラーフィルタ２２Ｂとの積層により赤外フィルタを構成している。赤外フィルタは、カラーフィルタ２２Ｒのみが設けられた画素から赤外フィルタを設ける画素へとカラーフィルタ２２Ｒを延設し、一方では、カラーフィルタ２２Ｂのみが設けられた画素から赤外フィルタを設ける画素へとカラーフィルタ２２Ｂを延設することによって構成される。この構成によれば、カラーフィルタ２２Ｒとカラーフィルタ２２Ｂとを形成する製造工程と同時に赤外フィルタを形成することができる。
赤外フィルタは、図８のラインＩＲで示すように、約５８０ｎｍまではほぼ光を透過させず、約５８０ｎｍから徐々に透過率が上昇し、約６９０ｎｍ以上ではカラーフィルタ２２Ｂとほぼ同じ透過特性を示す。
本実施の形態では、さらに、画素の受光面側に近赤外領域を透過しない近赤外カットフィルタ２４が配置される。ここで、近赤外カットフィルタ２４は、少なくとも６５０ｎｍ以上７５０ｎｍ以下の波長領域の光を透過しないフィルタ特性を有することが好適である。特に、赤外光源１６の出力光の波長領域よりも短い波長領域を遮断領域とするフィルタ特性を有することが好適である。例えば、赤外光源１６の出力光のピーク波長が８５０ｎｍである場合、赤外光源１６の波長分散が±５０ｎｍ程度であるとすると、近赤外カットフィルタ２４は、６５０ｎｍ以上８００ｎｍ以下の波長領域の光を透過しないフィルタ特性を有することが好適である。また、赤外光源１６の出力光のピーク波長が９００ｎｍである場合、赤外光源１６の波長分散が±５０ｎｍ程度であるとすると、近赤外カットフィルタ２４は、６５０ｎｍ以上８５０ｎｍ以下の波長領域の光を透過しないフィルタ特性を有することが好適である。
カラーフィルタ２２Ｒが設けられた画素は、可視光領域では赤色の約６００ｎｍにピークを有し、赤外領域まで広がる感度分布を示す。カラーフィルタ２２Ｇが設けられた画素は、可視光領域では緑色の約５２０ｎｍにピークを有し、赤外領域まで広がる感度分布を示す。カラーフィルタ２２Ｂが設けられた画素は、可視光領域では青色の約４６０ｎｍにピークを有し、赤外領域まで広がる感度分布を示す。赤外フィルタが設けられた画素は、入射光を導く受光面側にカラーフィルタ２２Ｒとカラーフィルタ２２Ｂが重ねて設けられているため、可視光領域にはほとんど感度が無く、波長が６５０ｎｍ以上の近赤外領域から赤外領域まで広がる感度分布を示す。ただし、撮像部１０には、近赤外領域の光をカットする近赤外カットフィルタが設けられているため、図５に示されるようにカラーフィルタ２２Ｒ，２２Ｇ，２２Ｂが設けられた画素から出力される信号ＳＲ，ＳＧ，ＳＢには近赤外カットフィルタの遮断領域の光による成分は含まれない。
撮像部１０から出力される信号ＳＲ，ＳＧ，ＳＢには依然として赤外領域の光による電荷がノイズとして含まれる。したがって、これらの信号ＳＲ，ＳＧ，ＳＢをそのまま用いてカラー画像を構成すると、正しいカラー再現性を得ることができない。そこで、信号処理部１４では、赤外フィルタが設けられた画素からの出力信号ＳＩＲに基づいて、出力信号ＳＲ，ＳＧ，ＳＢから赤外光領域の成分を除去する処理を行う。
具体的には、赤外光成分を除去する信号処理として、例えば、出力信号ＳＲから信号ＳＩＲを引き算する処理を行う。出力信号ＳＧ，ＳＢに対しても同様に信号ＳＩＲを引き算する処理を行う。このとき、色毎に感度が異なる近赤外領域、特に６５０ｎｍ以上７５０ｎｍ以下の波長領域、については近赤外カットフィルタによって除去されているので三原色の信号に対して等しく適切な色再現を行うことができる。
また、信号処理部１４は、例えば、赤外に対する信号ＳＩＲに基づいて、緑色に対する信号ＳＧのゲインを基準にして赤色に対する信号ＳＲおよび青色に対する信号ＳＢのゲインを制御することにより色信号のホワイトバランス調整処理を行うことも好ましい。色信号のホワイトバランス調整は、例えば、赤外に対する信号ＳＩＲが所定の信号量より大きい場合には、赤色に対する信号ＳＲのゲインを所定の量だけ小さくし、青色に対する信号ＳＢのゲインを所定の量だけ大きくする制御を行い、逆に赤外に対する信号ＳＩＲが所定の信号量より小さい場合には、赤色に対する信号ＳＲのゲインおよび青色に対する信号ＳＢのゲインを同等にする制御を行う。
以上、撮像部１０としてＣＣＤを例に説明したが、電荷の転送方法はどのような方法であってもよく、例えば、ＦＴ（フレーム・トランスファ）方式、ＩＴ（インターライン・トランスファ）方式、ＦＩＴ（フレーム・インターライン・トランスファ）方式のＣＣＤとすることができる。また、本発明の光電変換素子２０は、ＣＭＯＳイメージセンサでも同様に構成することができる。
また、本実施の形態の撮像部１０では、赤色に対するカラーフィルタ２２Ｒおよび青色に対するカラーフィルタ２２Ｂは、４つの光電変換素子２０で構成される光電変換素子ブロックごとに形成される形状としたが、カラーフィルタ２２Ｒは二次元に配列された光電変換素子２０の一列に連続して一体で形成し、カラーフィルタ２２Ｂは二次元に配列された光電変換素子２０の一行に連続して一体で形成してもよい。
また、本発明の実施形態に係る撮像部１０では三原色である赤、青、緑に対するカラーフィルタ２２Ｒ，２２Ｇ，２２Ｂを用いる構成としたが、補色のイエローＹｅ、マゼンダＭｇ、シアンＣｙの組み合わせ、イエローＹｅ、シアンＣｙ・グリーンＧの組み合わせ、またはイエローＹｅ、シアンＣｙ、マゼンダＭｇ、グリーンＧの組み合わせに対するカラーフィルタを用いる構成としてもよい。この場合、赤色に対するカラーフィルタ２２Ｒ、青色に対するカラーフィルタ２２Ｂ、および緑色に対するカラーフィルタ２２Ｇの代わりに、イエロー、マゼンダ、シアンに対するカラーフィルタを光電変換素子の受光面に配置する。その場合、これらのフィルタの配列は、補色市松色差順次配列もしくは補色市松配列とすることが好適である。
補色系のカラーフィルタを用いる場合、例えば、イエロー、マゼンダ及びシアンに対するカラーフィルタを積層させることによって赤外領域のみを透過領域とする赤外フィルタを構成することができる。この赤外フィルタを受光面側に設けることによって、可視光領域にはほとんど感度が無く、波長約６５０ｎｍ以上の赤外領域に最も高い感度を有する画素を構成することができる。
このように補色系フィルタを用いた場合にも、撮像部１０の受光面側に近赤外カットフィルタ２４を設ける。これによって、少なくとも６５０ｎｍ以上７５０ｎｍ以下の波長領域の光をカットするフィルタであることが好適である。
撮像部１０から出力される信号ＳＹｅ，ＳＭｇ，ＳＣｙ（，ＳＧ）には依然として赤外領域の光による電荷がノイズとして含まれる。したがって、これらの信号ＳＹｅ，ＳＭｇ，ＳＣｙ（，ＳＧ）をそのまま用いてカラー画像を構成すると、正しいカラー再現性を得ることができない。そこで、信号処理部１４では、赤外フィルタが設けられた画素からの出力信号ＳＩＲに基づいて、出力信号ＳＹｅ，ＳＭｇ，ＳＣｙ（，ＳＧ）から赤外光領域の成分を除去する処理を行う。
具体的には、赤外光成分を除去する信号処理として、例えば、出力信号ＳＹｅから信号ＳＩＲを引き算する処理を行う。出力信号ＳＭｇ，ＳＣｙ（，ＳＧ）に対しても同様に信号ＳＩＲを引き算する処理を行う。このとき、色毎に感度が異なる近赤外領域、特に６５０ｎｍ以上７５０ｎｍ以下の波長領域、については近赤外カットフィルタによって除去されているので補色系の信号に対して等しく適切な色再現を行うことができる。
以上説明したように、補色系の色分解をするフィルタ構成とした場合でも、赤色、緑色、青色の光分解をするフィルタ構成の実施形態に係る撮像部１０と同様に本発明を適用できる。
本願発明では、撮像部１０に近赤外カットフィルタ２４を設けたが、この構造に限られるものではない。例えば、図６の断面図に示すようなカメラモジュール１０２において、撮像装置を構成する基板５０、カラーフィルタ５２ａを撮像面に備える撮像素子５２、の撮像面上に集光レンズ５４と撮像素子５２との間に挟まれるように近赤外カットフィルタ５６を配置してもよい。このとき、図に示すように、集光レンズ５４を支持するレンズホルダー５８によって同時に近赤外カットフィルタ５６を支持する構造としてもよい。
本発明の実施の形態における光電変換装置の構成を示すブロック図である。 本発明の実施の形態における撮像部の構成を模式的に示す平面図である。 本発明の実施の形態における撮像部の構成を模式的に示す断面図である。 本発明の実施の形態における撮像部の構成を模式的に示す断面図である。 本発明の実施の形態における撮像部の光の透過の波長依存性を示す図である。 本発明の実施の形態における光電変換装置の別例の構成を示す図である。 カラーフィルタの配置を示す図である。 一般的な原色系のカラーフィルタを備えた撮像素子（シリコン基板）の感度の波長依存性を示す図である。 植生の反射スペクトルを示す図である。
符号の説明
１０ 撮像部、１２ クロック制御部、１４ 信号処理部、１６ 赤外光源、２０ 光電変換素子、２２Ｒ，２２Ｇ，２２Ｂ カラーフィルタ、２４ 近赤外カットフィルタ、２６ 垂直レジスタ、２８ 水平レジスタ、３０ 出力部、５０ 基板、５２ 撮像素子、５２ａ カラーフィルタ、５４ 集光レンズ、５６ 近赤外カットフィルタ、５８ レンズホルダー、１００ 光電変換装置、１０２ カメラモジュール。

Claims (6)

  1. 入射光を受けて、入射光の強度に応じた電荷を生成する光電変換装置であって、
    可視光領域から赤外光領域までの波長領域に対して光電変換の感度を有する光電変換素子をそれぞれ含む複数の画素と、
    前記複数の画素の一部の受光面側に配置された可視光領域及び赤外光領域を透過領域とするカラーフィルタと、前記複数の画素の残りの受光面側に配置された赤外光領域を透過領域とする赤外フィルタと、
    前記複数の画素の受光面側に設けられた６５０ｎｍ以上７５０ｎｍ以下の波長領域の光を遮断するカットフィルタと、
    を備えることを特徴とする光電変換装置。
  2. 請求項１に記載の光電変換装置において、
    前記カラーフィルタは、赤・緑・青、イエロー・シアン・マゼンダ、イエロー・シアン・グリーン及びイエロー・シアン・マゼンダ・グリーンのいずれか１の組み合わせに含まれる３色又は４色であることを特徴とする光電変換装置。
  3. 請求項１又は２に記載の光電変換装置において、
    前記カラーフィルタの少なくとも２種類は、赤外光領域の光を透過するフィルタであり、前記赤外フィルタは、前記カラーフィルタのうち赤外光領域の光を透過するカラーフィルタを積層して構成されることを特徴とする光電変換装置。
  4. 請求項３に記載の光電変換装置において、
    前記赤外フィルタは、赤及び青のカラーフィルタを積層して構成されることを特徴とする光電変換装置。
  5. 請求項３に記載の光電変換装置において、
    前記赤外フィルタは、イエロー、シアン及びマゼンダのカラーフィルタを積層して構成されることを特徴とする光電変換装置。
  6. 請求項１〜５のいずれか１つに記載の光電変換装置において、
    前記カラーフィルタが受光面側に配置された画素から出力された信号を前記赤外フィルタが受光面側に配置された画素から出力された信号によって補正することを特徴とする光電変換装置。
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