JP2013034123A - イメージセンサ及び撮像装置 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】イメージセンサ1を、同一波長に感度を持ち、かつ、入射光の向きに対して感度が異なる2つのフォトディテクタ7A、7Bを有する複数の画素8を備えるセンサアレイ4と、複数の画素の中の少なくとも一の画素に対応する位置に設けられ、入射光を周囲の画素に散乱させる散乱体9とを備えるものとする。
【選択図】図1
Description
その一方で製造プロセスの不具合や結晶欠陥は一定の割合で発生するため、画素の増加に伴い、イメージセンサの一部に正常に動作しない不良画素(欠陥画素)を含む確率が増加している。
不良画素による画像情報の欠落を補う手法としては、例えば、不良画素の周辺の画素からの情報(データ;出力)に基づいて不良画素の情報を内挿する手法、不良画素に隣接する正常な画素の情報で不良画素の情報を置き換える手法などがある。これを第1の手法という。
また、上述の第2の手法では、不良画素が存在する領域に実際に入射する光に基づく情報が得られるものの、不良画素に入射する光を順次隣接する画素にシフトさせて正確に予備画素に導入する必要があるため、冗長化のプロセスが複雑である。また、イメージセンサに複数の不良画素が存在する場合、即ち、一の不良画素に入射する光を順次隣接する画素にシフトさせる際に隣接する画素に他の不良画素が存在する場合には対応することができない。
本撮像装置は、同一波長に感度を持ち、かつ、入射光の向きに対して感度が異なる2つのフォトディテクタを有する複数の画素を備えるセンサアレイと、複数の画素の中の少なくとも一の画素に対応する位置に設けられ、入射光を周囲の画素に散乱させる散乱体とを備えるイメージセンサと、イメージセンサに接続された制御演算部とを備え、制御演算部は、散乱体が対応する位置に設けられている画素の周囲の画素に備えられる2つのフォトディテクタの一方のフォトディテクタの出力に基づいて散乱体が対応する位置に設けられている画素の他方のフォトディテクタの出力を推定し、これをセンサアレイの各画素の他方のフォトディテクタからの出力に合成するとともに、散乱体が対応する位置に設けられている画素の周囲の画素に備えられる他方のフォトディテクタからの出力を、同一画素に備えられる一方のフォトディテクタの出力に基づいて補正することを要件とする。
[第1実施形態]
まず、第1実施形態にかかるイメージセンサ及び撮像装置について、図1〜図9を参照しながら説明する。
本赤外線撮像装置は、図2に示すように、赤外線イメージセンサ1と、信号処理及び各種制御を行なう制御演算部2と、撮像された画像を表示するモニタ3とを備える。
ここで、本赤外線イメージセンサ1は、複数の画素8を備えるセンサアレイ4と、複数の画素8のそれぞれに接続された読出回路や駆動回路を含む読出回路チップ5とを備える。そして、センサアレイ4と読出回路チップ5とは、導電性の金属バンプ電極6(ここではInバンプ電極)を介して接続されている。つまり、センサアレイ4と読出回路チップ5とはフリップチップボンディングによって接合されている。
このうち、センサアレイ4は、赤外線の入射量に応じて光電流を発生する赤外線フォトディテクタによって構成される複数の画素8が二次元に配列されている二次元センサアレイである。
ここでは、駆動回路15は、キャパシタ19(積分容量)と、キャパシタ19を赤外線フォトディテクタ7に接続するためのスイッチ20(トランジスタ)と、キャパシタ19をバイアス電源に接続するためのスイッチ21(トランジスタ)とを備える。つまり、駆動回路15は、バンプ電極6を介して赤外線フォトディテクタ7の一側(ここではQDIP7A又はQWIP7Bの一側)に接続されたスイッチ20と、バイアス電源に接続されたスイッチ21と、これらのスイッチ20、21に接続されたキャパシタ19とを備える。そして、キャパシタ19及びスイッチ20、21のそれぞれの端子を接続した接点Xに出力端子22が接続されている。なお、赤外線フォトディテクタ7の他側(ここではQDIP7A又はQWIP7Bの他側)には共通電極としてのバンプ電極6が接続されている。
つまり、切替回路16は、複数のソースフォロワトランジスタ23と、複数の行選択トランジスタ24と、複数の行線25と、複数の列線26と、複数の列選択トランジスタ27と、読み出し線28と、負荷トランジスタ29と、増幅器30と、垂直走査シフトレジスタ31と、水平走査シフトレジスタ32とを備える。そして、各ソースフォロワトランジスタ23のゲート端子に、それぞれ、各駆動回路15の出力端子22が接続されている。
ここで、ソースフォロワトランジスタ23は、ゲート端子に駆動回路15の出力端子22が接続されており、駆動回路15の出力に応じて動作するようになっている。なお、各ソースフォロワトランジスタ23のドレイン端子は、図示しない電源に接続されており、電源電圧が供給されている。
各列線26は、行選択トランジスタ24を介してソースフォロワトランジスタ23に接続されている。つまり、各列線26は、それぞれ、行選択トランジスタ24を介して、各列のソースフォロワトランジスタ23に接続されている。また、各列選択トランジスタ27は、複数の列線26のそれぞれに接続されている。さらに、読み出し線28は、全ての列選択トランジスタ27に接続されている。
そして、制御演算部2から画素の選択信号が入力され、垂直走査シフトレジスタ31によって行線25が選択されると、選択された行線25に接続された行選択トランジスタ24は導通状態(オン状態)となる。行選択トランジスタ24が導通状態となると、各赤外線フォトディテクタ7からの出力信号が、駆動回路15、ソースフォロワトランジスタ23及び行選択トランジスタ24を介して、列線26に出力される。
また、上述の赤外線イメージセンサ1に備えられる読出回路チップ5には、図2に示すように、制御演算部2が接続されている。そして、読出回路チップ5からの出力信号は、制御演算部2へ送られ、制御演算部2で信号処理されるようになっている。
つまり、まず、図1に示すように、センサアレイ4を、各画素8を構成する赤外線フォトディテクタ7として、上述のQDIP7Aに加え、冗長用赤外線フォトディテクタ(予備センサ)としてQWIP7Bを備えるものとしている。つまり、センサアレイ4を構成する各画素8を、QDIP7AとQWIP7Bを画素8の高さ方向に集積させた構造を有するものとしている。なお、ここでは、センサアレイ4の入射面4A側から順にQDIP7A、QWIP7Bを設けているが、これに限られるものではなく、逆に、センサアレイ4の入射面4A側から順にQWIP7B、QDIP7Aを設けても良い。また、QDIP7AとQWIP7Bは、それぞれ、上述のような駆動回路15を含む読出回路17に接続され、別々に駆動され、出力信号が読み出されるようになっている。なお、駆動回路15がQDIP7Aに接続される場合、駆動回路15はQDIP駆動回路として機能し、駆動回路15がQWIP7Bに接続される場合、駆動回路15はQWIP駆動回路として機能する。
ここでは、センサアレイ4を構成する各画素8を、同一波長に感度を持ち、かつ、入射光の向きに対して感度が異なる量子ドット層7aと量子井戸層7bとを積層した構造を有するものとしている。本実施形態では、量子ドット層7aは、複数の量子ドット層を積層させた多重量子ドット(MQD;Multi Quantum Dot)層である。また、量子井戸層7bは、複数の量子井戸層を積層させた多重量子井戸(MQW;Multi Quantum Well)層である。
そして、赤外線イメージセンサ1には、複数の画素8の中の少なくとも一の画素、即ち、不良画素(欠陥画素)に対応する位置に、入射光(ここでは入射赤外線)を周囲の画素8に散乱させる散乱体9が設けられている。なお、散乱体9を散乱機構ともいう。
つまり、図1に示すように、不良画素が存在する領域に入射する光を、散乱体9によって散乱させて、不良画素の周囲の画素8に入射させ、これを不良画素の周囲の画素8に備えられるQDIP7AとQWIP7Bの両方で検出する。
例えばMBE(Molecular Beam Epitaxy)法などの薄膜形成技術を用いて基板上に量子井戸層7b及び量子ドット層7aを積層させてQWIP7B及びQDIP7Aを有する複数の画素8を備えるセンサアレイ4を形成する場合、QWIP7Bを構成する量子井戸層7bはセンサアレイ4の入射面4Aと平行になる。そして、撮像対象(被写体)から光学系(図示せず)を通してセンサアレイ4に入射する入射光の入射方向は、センサアレイ4の入射面4Aに対して垂直になるため、QWIP7Bを構成する量子井戸層7bに対しても垂直になる。つまり、光学系によってセンサアレイ4上に結像される、撮像対象からの入射光は、QWIP7Bを構成する量子井戸層7bに垂直に入射することになる。このため、光学系によってセンサアレイ4上に結像される、撮像対象からの入射光に対しては、QWIP7Bは感度を持たず、QDIP7Aのみが感度を持つことになる。つまり、撮像対象から直接入射する入射光は、各画素8において、QWIP7Bでは検出されず、QDIP7Aのみで検出されることになる。このように、本撮像装置によって得られる画像情報は、基本的には、センサアレイ4の各画素8に備えられるQDIP7Aによって検出された、撮像対象から直接入射する光に基づく情報によって構成される。
つまり、センサアレイ4は、図5に示すように、GaAs基板40上に、n−GaAs下部コンタクト層41、GaAs/InAs−MQD層7a、n−GaAs中間コンタクト層42、AlGaAs/GaAs−MQW層7b、n−GaAs上部コンタクト層43、i−GaAs層44を積層した構造を備える。つまり、同一波長に感度を持つMQD層7aとMQW層7bとの間に中間コンタクト層42を挟んで積層した構造になっている。この場合、下部コンタクト層41、MQD層7a及び中間コンタクト層42によってQDIP7Aが構成され、中間コンタクト層42、MQW層7b及び上部コンタクト層43によってQWIP7Bが構成される。ここでは、基板裏面側がセンサアレイ4の入射面4Aである。なお、中間コンタクト層42を共通コンタクト層ともいう。また、コンタクト層を電極層ともいう。
また、各画素8は分離溝45によって分離されている。ここでは、1画素のサイズは約50μm×約50μmである。
また、各画素8には、3つのコンタクト穴46〜48が設けられており、これらのコンタクト穴46〜48の底面にコンタクト電極49〜51が設けられている。つまり、各画素8には、表面側から上部コンタクト層43まで延びるコンタクト穴46が設けられており、このコンタクト穴46の底面に上部コンタクト電極49が設けられている。また、各画素8には、表面側から中間コンタクト層42まで延びるコンタクト穴47が設けられており、このコンタクト穴47の底面に中間コンタクト電極50が設けられている。また、各画素8には、表面側から下部コンタクト層41まで延びるコンタクト穴48が設けられており、このコンタクト穴48の底面に下部コンタクト電極51が設けられている。ここで、コンタクト電極49〜51は、金属電極であり、例えばAuGe、Ni、Auを積層した構造を有するAuGe/Ni/Au電極である。なお、コンタクト電極49〜51をオーミックコンタクトともいう。
また、各画素8の上方に、パッシベーション膜52を介して、各画素8に備えられるQDIP7A及びQWIP7Bのそれぞれを駆動する駆動回路15を含む読出回路チップ5に電気的に接続するための3つのバンプ電極6が設けられている。なお、バンプ電極6を単にバンプともいう。そして、3つのバンプ電極6は、それぞれ、配線53〜55を介して、上述の3つのコンタクト電極49〜51に電気的に接続されている。ここで、配線53〜55は金属配線であり、例えばTi、Auを積層した構造を有するTi/Au配線である。なお、配線53〜55を引き出し配線又は引き出し電極ともいう。また、各画素8の表面側には、例えばTi/Auからなる光結合素子56が設けられている。
また、散乱体9は、以下のようにして設けられる。
つまり、まず、散乱体9を設けていない状態で、複数の均一温度板を撮影し、感度やオフセット電流が周辺の画素と著しく異なる不良画素の位置を把握する。ここでは、不良画素の位置は、X−Y座標情報として得られる。
例えば、センサアレイ4の入射面4A(散乱体設置面)側から赤外線顕微鏡で観察することで各画素8を個別に識別することができる。このため、上述のようにして得られた不良画素の位置(X−Y座標情報)に基づいて、赤外線顕微鏡で観察して不良画素を特定し、センサアレイ4の入射面4Aの不良画素に対応する位置に散乱体9を設けるようにすれば良い。
また、上述のような赤外線イメージセンサ1の構成に応じて、制御演算部2において、以下のような処理を行なうようになっている。
つまり、制御演算部2は、不良画素の周囲の画素8に備えられるQDIP7A及びQWIP7BのうちQWIP7Bの出力に基づいて不良画素に備えられるQDIP7Aの出力を推定し、これをセンサアレイ4の各画素8のQDIP7Aからの出力に合成するともに、不良画素の周囲の画素8に備えられるQDIP7Aからの出力を、同一画素に備えられるQWIP7Bの出力に基づいて補正するようになっている。つまり、制御演算部2は、複数の画素8の中の少なくとも一の画素(散乱体が対応する位置に設けられている画素;不良画素)の周囲の画素8に備えられる2つのフォトディテクタの一方のフォトディテクタの出力に基づいて不良画素の他方のフォトディテクタの出力を推定し、これをセンサアレイの各画素の他方のフォトディテクタからの出力に合成するとともに、不良画素の周囲の画素に備えられる他方のフォトディテクタからの出力を、同一画素に備えられる一方のフォトディテクタの出力に基づいて補正するようになっている。
ここで、各画素8のQWIP7B及びQDIP7Aの感度分布は、例えば図7(A)、(B)に示すように、不良画素からの距離が遠くなるにしたがって、感度が下がるものとなる。
ここでは、QWIP7Bの感度は、QWIP7Bに入射されたスポット光の光強度(入射強度)に対する、QWIP7Bから出力された散乱光の光強度(散乱強度)の割合、即ち、入射強度と散乱強度との関係である。また、QDIP7Aの感度は、QDIP7Aに入射されたスポット光の光強度(入射強度)に対する、QDIP7Aから出力された散乱光の光強度(散乱強度)の割合、即ち、入射強度と散乱強度との関係である。このため、記憶部10には、QWIP7Bの感度として、QWIP7Bの入射強度と散乱強度との関係を記憶させておき、QDIP7Aの感度として、QDIP7Aの入射強度と散乱強度との関係を記憶させておく。
具体的には、制御演算部2は、読出回路チップ5に含まれるQWIP駆動回路15によってセンサアレイ4の各画素8に備えられるQWIP7Bから読み出された出力を一時的に保持するバッファ14Aから、不良画素の周囲の画素8に備えられるQWIP7Bの出力を読み出す。また、制御演算部2は、記憶部10に記憶されているQWIP7Bの感度を読み出す。そして、制御演算部2は、不良画素の周囲の画素8に備えられるQWIP7Bの出力、即ち、QWIP7Bから出力された散乱光の光強度(散乱強度)、及び、QWIP7Bの感度に基づいて、不良画素が存在する領域に実際に入射した光の強度(入射強度)を求める。また、上述のようにして求めた不良画素が存在する領域に実際に入射した光の強度、及び、記憶部10から読み出されたQDIP7Aの感度に基づいて、不良画素に備えられるQDIP7Aの出力を推定する。この機能を、不良画素出力推定部11という。
具体的には、制御演算部2は、読出回路チップ5に含まれるQDIP駆動回路15によってセンサアレイ4の各画素8に備えられるQDIP7Aから読み出された出力を一時的に保持するバッファ14Bから、センサアレイ4の各画素8に備えられるQDIP7Aの出力を読み出す。そして、制御演算部2は、不良画素の周囲の画素8に備えられるQDIP7Aの出力から、上述の散乱光出力推定部12で推定された散乱光に基づくQDIP7Aの出力を引くことによって、不良画素の周囲の画素8に備えられるQDIP7Aの出力を補正する。この機能を、出力補正部という。なお、本実施形態では、出力補正部は後述の出力合成部13に含まれる。
そして、制御演算部2は、上述のようにして補正及び合成されたセンサアレイ4の各画素8に備えられるQDIP7Aの出力、即ち、各画素8の出力を、バッファ14Cへ出力しい、バッファ14Cで一時的に保持した後、モニタ3へ出力する。
散乱体9を設けた1つの不良画素に対してスポット光を光強度Xdefect_spotで照射した場合の各画素8のQWIP7BとQDIP7Aの出力(信号出力)OQWIP_spot(Xdefect,x,y)、OQDIP_spot(Xdefect,x,y)から、散乱光に対する各画素8のQWIP7BとQDIP7Aの感度RQWIP_spot(x,y)=OQWIP_spot(Xdefect,x,y)/Xdefect、RQDIP_spot(x,y)=OQDIP_spot(Xdefect,x,y)/Xdefectを求める。
センサアレイ4の各画素8の位置を(x,y)で表し、i番目の不良画素に設けられた散乱体9に入射する光の強度をX(i)とし、この散乱体9からの光に対する周囲の画素に備えられるQDIP、QWIPの感度を、それぞれ、RQDIP(i,x,y)、RQWIP(i,x,y)とする。また、センサアレイ4の各画素8に入射する光の強度をI(x,y)とし、この場合の各画素8に備えられるQDIP、QWIPからの出力を、それぞれ、OQDIP(x,y)、OQWIP(x,y)とする。
例えば図8(A)に示すように2つの不良画素A、Bが存在する場合、これらの2つの不良画素A、Bのそれぞれにスポット光を照射して、それぞれの不良画素A、Bの周囲の画素8に備えられるQDIP7AとQWIP7Bの感度を求める。
なお、上述の実施形態では、散乱体9をセンサアレイ4の入射面4Aに設けているが、これに限られるものではない。例えば図10に示すように、センサアレイ4とは別に設けられ、入射光を透過する基板(散乱体基板)60上に散乱体9を設けるようにしても良い。この場合も、赤外線イメージセンサ1には、複数の画素8の中の少なくとも一の画素(不良画素)に対応する位置に、入射光を周囲の画素に散乱させる散乱体9が設けられていることになる。
[第2実施形態]
次に、第2実施形態にかかるイメージセンサ及び撮像装置について、図11を参照しながら説明する。
つまり、本実施形態では、イメージセンサ1は、複数の画素8として、複数の有効画素8Aと、有効画素8A以外の複数の画素8Bとを含む。また、散乱体9は、有効画素8A以外の複数の画素8Bの中の少なくとも一の画素に対応する位置に設けられている。また、有効画素8A以外の複数の画素8Bの中の散乱体9が設けられている画素以外の画素に対応する位置に、入射光を遮断する遮光体62が設けられている。
この場合、装置の初期校正の段階で複数の温度板(均一温度板)を撮像する際に、入射面4Aに遮光体62が設けられている画素8Bに散乱体9からの散乱光が入射することによって得られるQDIP7A及びQWIP7Bの出力から、散乱体9に対しての相対的位置でのQDIP7A及びQWIP7Bの感度を得ることができる。また、比較的再現性の良い散乱体9を用いる場合(例えば図4中、符号9A、9Bなど)には、このデータに基づいて不良画素に設けられた散乱体9からの光に対する周辺画素のQDIP7A及びQWIP7Bの感度を求めることができる。
なお、上述の実施形態では、散乱体9及び遮光体62をセンサアレイ4の入射面4Aに設けているが、これに限られるものではない。
[その他]
なお、本発明は、上述した各実施形態及び変形例に記載した構成に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々変形することが可能である。
2 制御演算部
3 モニタ
4 センサアレイ
4A 入射面
5 読出回路チップ
6 バンプ電極
7 フォトディテクタ
7A QDIP
7B QWIP
7a 量子ドット層
7b 量子井戸層
8 画素
8A 有効画素
8B 有効画素以外の複数の画素
9 散乱体
9A 金属微粉体を分散したインク
9B レーザマーカなどによって形成される凹面
9C サンドブラストなどの機械的加工によって形成される粗面(凹凸面)
9D リソグラフィ及びエッチングによって形成される粗面(凹凸面)
9E リソグラフィによって形成される回折格子(凹凸)
10 記憶部
11 不良画素出力推定部
12 散乱光出力推定部
13 出力合成部
14A〜14C バッファ
15 駆動回路
16 切替回路
17 読出回路
18 ADコンバータ
19 キャパシタ
20 スイッチ(トランジスタ)
21 スイッチ(トランジスタ)
22 出力端子
23 ソースフォロワトランジスタ
24 行選択トランジスタ
25 行線
26 列線
27 列選択トランジスタ
28 読み出し線
29 負荷トランジスタ
30 増幅器
31 垂直走査シフトレジスタ
32 水平走査シフトレジスタ
40 GaAs基板
41 n−GaAs下部コンタクト層
42 n−GaAs中間コンタクト層
43 n−GaAs上部コンタクト層
44 i−GaAs層
45 分離溝
46〜48 コンタクト穴
49〜51 コンタクト電極
52 パッシベーション膜
53〜55 配線
56 光結合素子
60 基板(散乱体基板)
61 支持体(スペーサ)
62 遮光体
70 冷却系
Claims (7)
- 同一波長に感度を持ち、かつ、入射光の向きに対して感度が異なる2つのフォトディテクタを有する複数の画素を備えるセンサアレイと、
前記複数の画素の中の少なくとも一の画素に対応する位置に設けられ、入射光を周囲の画素に散乱させる散乱体とを備えることを特徴とするイメージセンサ。 - 前記散乱体は、前記センサアレイの入射面に設けられていることを特徴とする、請求項1に記載のイメージセンサ。
- 前記センサアレイとは別に設けられ、入射光を透過する基板を備え、
前記散乱体は、前記基板上に設けられていることを特徴とする、請求項1に記載のイメージセンサ。 - 前記複数の画素は、複数の有効画素と、前記有効画素以外の複数の画素とを含み、
前記散乱体は、前記有効画素以外の複数の画素の中の少なくとも一の画素に対応する位置に設けられ、
前記有効画素以外の複数の画素の中の前記散乱体が対応する位置に設けられている画素以外の画素に対応する位置に設けられ、入射光を遮断する遮光体を備えることを特徴とする、請求項1〜3のいずれか1項に記載のイメージセンサ。 - 前記遮光体は、前記センサアレイの入射面に設けられていることを特徴とする、請求項4に記載のイメージセンサ。
- 前記センサアレイとは別に設けられ、入射光を透過する基板を備え、
前記遮光体は、前記基板上に設けられていることを特徴とする、請求項4に記載のイメージセンサ。 - 同一波長に感度を持ち、かつ、入射光の向きに対して感度が異なる2つのフォトディテクタを有する複数の画素を備えるセンサアレイと、
前記複数の画素の中の少なくとも一の画素に対応する位置に設けられ、入射光を周囲の画素に散乱させる散乱体とを備えるイメージセンサと、
前記イメージセンサに接続された制御演算部とを備え、
前記制御演算部は、
前記散乱体が対応する位置に設けられている画素の周囲の画素に備えられる前記2つのフォトディテクタの一方のフォトディテクタの出力に基づいて前記散乱体が対応する位置に設けられている画素の他方のフォトディテクタの出力を推定し、これを前記センサアレイの各画素の他方のフォトディテクタからの出力に合成するとともに、前記散乱体が対応する位置に設けられている画素の周囲の画素に備えられる他方のフォトディテクタからの出力を、同一画素に備えられる一方のフォトディテクタの出力に基づいて補正することを特徴とする撮像装置。
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