JP2023541369A - センサー装置及びセンサー装置の製造方法 - Google Patents

Abstract

センサー装置（１）は、赤色、緑色、青色及び赤外線波長領域の光を検出するための第１、第２、第３及び第４の群の受光素子群（２、３、４、５）を備える。少なくとも１つの第１のサブ装置（６）は、第１の群の１つの受光素子（２）と、第２の群の２つの受光素子（３）と、第３の群の１つの受光素子（４）とを第１のベイヤー状パターンで配置することによって形成される。少なくとも１つの第２のサブ装置（７、７’）は、第２の群（３）の２つの受光素子と、第４の群の１つの受光素子（５）と、第１又は第３の群の１つの受光素子（２、４）とを第２のベイヤー状パターンで配置することによって形成される。少なくとも１つの第１のサブ装置（６）及び少なくとも１つの第２のサブ装置（７、７’）は、センサー装置（１）の延在する主平面内で、互いに隣接して配置される。
【選択図】 図４

Description

本開示は、センサー装置、イメージセンサー、及びセンサー装置を製造する方法に関する。

ＣＭＯＳイメージセンサーは、カメラモジュール及びスマートフォン、タブレットコンピュータ、ノート型パソコンなど、幅広い用途で使用される。写真などの、そのような用途の一部においては、可視光学領域における感度に依存する一方、３Ｄ画像や識別などの他の用途においては、イメージセンサーが赤外線（ＩＲ）領域において感度を有する必要がある。例えば、赤外線領域は暗い環境や、少なくとも明るさが制限されている状況で使用される。しかし、赤外線領域は、通常のＲＧＢ画像を強化するために使用することもできる、すなわち、赤外線は、可視波長領域の光では不可能な霞のような特定の条件を「透過（see through）」することができるので、「質感（texture）」をもたらす。近年の装置におけるスペースの制約のために、可視領域及び赤外線領域の両方において感度を有するイメージセンサーが望まれている。そのため、イメージセンサーの各センサー装置は、可視スペクトルの一定の部分にそれぞれ感度を有する色受光素子と、赤外スペクトル用のＩＲ受光素子とを備えている。

可視色受光素子のみを有するセンサー装置は、通常、これらを特定のパターン、所謂ベイヤー状パターンで配置したものであり、センサー装置は、２×２配列に配置された４つの受光素子を備え、これらのうち２つの受光素子は、互いに対向して配置され、可視スペクトルの緑色部分に感度を有する一方、他の２つの受光素子は、それぞれ青色及び赤色領域における感度を有する。緑色領域用に２つの受光素子を有する理由は、人間の目が赤色又は青色よりも緑色に敏感であるためである。画像信号プロセッサー（ＩＳＰ）は、隣接する受光素子からの色情報を評価することによって、モノカラー画像素子（各素子がその受光素子の単一色の情報のみを含む）を、ポリカラー画像素子のアレイ（各素子が全ての受信された色を記憶する）にマッピングする。さらに、ＩＳＰは、例えば、画像のエッジ保存のためのアルゴリズムを使用することができる。ＩＳＰによって行われる画像変換は、デベイヤリングと呼ばれることがある。

これらのイメージセンサーに追加のＩＲ受光素子を実装することは、一般的には、ベイヤーフィルターアレイパターンの緑色受光素子のうちの１つを犠牲にすることによって実現される。しかしながら、これは、標準的なデモザイク処理又はデベイヤリングによる画質の劣化、及び／又は複雑かつ専用の計算集約型アルゴリズムにつながる。加えて、人間の目は緑色に対して最も敏感であるため、緑色受光素子が失われることは画像知覚の劣化につながる。

したがって、可視及び赤外線波長領域の光を検知することができ、かつ既存のセンサー装置の上述の欠点を克服することができる、センサー装置のための改良された概念を提供することを目的とする。

この目的は、独立請求項の主題によって達成される。改良された概念の実施形態及び発展形態は、従属請求項として定義される。

改良された概念は、受光素子の４×４配列が、８つの緑色受光素子、４つの赤色受光素子、及び４つの青色受光素子で形成されるように、ベイヤー状パターンを４倍にするという考えに基づいている。しかしながら、青色（又は赤色）受光素子の一部は、近赤外線（ＮＩＲ）受光素子に置き換えることができる。このような配列では、隣接する受光素子からの青色（又は赤色）の色情報でＮＩＲ受光素子を埋めることが比較的容易であり、標準的なＲＧＧＢベイヤー状パターンとなるため、既存のＩＳＰチップをデベイヤリングに使用することができる。

ここで、また以下において、緑色受光素子は、緑色波長領域の光を検知することができる受光素子を指す。したがって、青色受光素子及び赤色受光素子は、それぞれ青色又は赤色波長領域の光を検知することができる受光素子を指す。ＩＲ受光素子は、赤外線領域、特にＮＩＲ領域の光を検知することができる受光素子を指す。光という用語は、赤外線、近赤外線及び可視光線を含む電磁波全般を指す場合がある。従って、緑色、青色、赤色及びＮＩＲ光は、それぞれの波長領域の光を指す。また、以下において、「色情報（color information）」とは、特定の波長領域の光の強度値をいう。例えば、波長領域は、青色光、緑色光、又は赤色光に対応し得る。他方、ＩＲ光又はＮＩＲ光にも対応し得る。したがって、「色（color）」という用語は、ＩＲ波長領域を含む、光のそれぞれの波長領域を指す。

改良された概念に係るセンサー装置は、赤色波長領域の光を検出するように構成される第１の群の受光素子を備える。さらに、緑色波長領域の光を検出するように構成される第２の群の受光素子と、青色波長領域の光を検出するように構成される第３の群の受光素子と、赤外線波長領域の光を検出するように構成される第４の受光素子群とを備える。

改良された概念に係るセンサー装置では、少なくとも１つの第１のサブ装置は、第１の群の１つの受光素子、第２の群の２つの受光素子及び第３の群の１つの受光素子を第１のベイヤー状パターンで配置することによって形成される。

少なくとも１つの第２のサブ装置は、第２の群の２つの受光素子、第４の群の１つの受光素子、及び第１又は第３の群の１つの受光素子を第２のベイヤー状パターンで配置することによって形成される。

ここで、また以下において、「ベイヤー状パターン（Bayer-like pattern）」という用語は、４つの受光素子が２×２配列に配列され、そのうちの１つの受光素子が第１の波長領域に感度を示し、２つの受光素子が互いに対向して配列され、第２の波長領域に感度を示し、残りの受光素子が第３又は第４の波長領域に感度を示すパターンを指す。これは、２つの受光素子が緑色光に対して感度を示し、他の２つの受光素子が赤色光及び青色光に対してそれぞれ感度を示すかぎり、ベイヤー状パターンが元のベイヤー状パターンであってもよいことを意味する。しかしながら、ベイヤー状パターンはまた、異なる色の光に対して感度を示す受光素子を備えてもよい。例えば、元のベイヤー状パターンの１つの受光素子がＩＲ受光素子に置き換えられるように、ベイヤー状パターンのうち１つの受光素子は、ＩＲ光に感度を示してもよい。

第１及び第２のベイヤー状パターンにおいて、同一群の受光素子が同一箇所に配置されていてもよい。例えば、第２の群の受光素子が第１のベイヤー状パターンの左下隅及び右上隅に配置される場合、第２のベイヤー状パターンが、この受光素子をこれらの隅部に有してもよい。同じことが、他群の受光素子にも当てはまる。

好ましい実施形態では、第１のベイヤー状パターンは、１つの赤色受光素子、２つの緑色受光素子、及び１つの青色受光素子によって形成される元のベイヤー状パターンを指す。この好ましい実施形態では、第２のベイヤー状パターンは、元のベイヤー状パターンの青色又は赤色受光素子がＩＲ受光素子に置き換えられたパターンを指す。

改良された概念に係るセンサー装置では、少なくとも１つの第１のサブ装置及び少なくとも１つの第２のサブ装置は、センサー装置の延在する主平面において互いに隣接して配置される。

これは、第１のサブ装置と第２のサブ装置とが、センサー装置の延在する主平面に対して平行である横方向において互いに隣り合って配置されることを意味する。また、第１のサブ装置が第２のサブ装置と共通の境界を有することも意味する。しかしながら、他の第１のサブ装置がさらに形成される場合には、これらのサブ装置は、互いに共通の境界を有していてもよい。同じことが、他の第２のサブ装置にも当てはまる。

可視光と赤外光の両方の波長領域で感度を有するイメージセンサーは、例えば、写真撮影などの可視光でのイメージングと、赤外光源によるアクティブイルミネーションを用いた３Ｄイメージングや識別などの赤外でのイメージングの両方に便利に使用することができる。画像品質は、赤外線領域によって向上させることができる。異なる波長は、例えば霞又は霧のような湿った空気において異なる吸収特性を有する。これらの環境において、赤外光は、可視光に比べてより良好な吸収特性を有する。そのため、イメージセンサーにＩＲ／ＮＩＲ感度を追加することで、イメージに「質感（texture）」を加えることができ、画質が向上する。さらに、ＩＲ／ＮＩＲ領域で感度を有するイメージセンサーは、暗い環境での使用を可能にする。

改良された概念に係るセンサー装置の各受光素子は、それぞれの受光素子に入射する光情報を取り込み、光情報を示す電気情報を生成するように構成される。特に、標準的なＣＭＯＳ技術によって製作されたイメージセンサーの場合、受光素子の動作原理は、フォトダイオードを用いて光強度を光電流に変換することである。シリコン系のフォトダイオードは、１９０ｎｍから１１００ｎｍの広い波長範囲に感度を有するため、可視光と赤外領域の電磁スペクトルをカバーすることができ、一般的な選択肢となっている。さらに、シリコンのバンドギャップが大きいため、シリコンベースのフォトダイオードは、ゲルマニウムベースのフォトダイオードのような他のフォトダイオードに比べて優れたノイズ性能を示す。

読み出し目的、すなわち、フォトダイオードからストレージコンデンサ、メモリ素子、アナログ－デジタル変換器などへの電荷の転送のために、第１、第２、第３、及び／又は第４の群の受光素子は、共有フローティングディフュージョンに接続される場合がある。あるいは、各群の受光素子は、それぞれのフローティングディフュージョンに接続されてもよく、又はすべての受光素子は、個々のフローティングディフュージョンに接続されてもよい。

入射電磁波のスペクトルのうち特定部分に対する感度を調整する目的で、各受光素子は、フォトダイオードに加えて、受光素子、すなわちフォトダイオードの上面と入射電磁波の供給源との間に配置される光学フィルターを備えることができる。例えば、各受光素子は、波長フィルターを備える。

第１、第２、及び第３の群の受光素子の各受光素子の波長フィルターは、例えばＲＧＢ添加剤カラーモデルによる補色カラーフィルターのいずれかとすることができる。例えば、赤色カラーフィルターは、赤色光に対しては透過性又は半透明であるが、他の光、特に緑色、青色及び／又はＩＲ光に対しては不透明である。したがって、赤、緑、及び青の各補色に対して、その補色に対して感度を示す、第１、第２、又は第３の群の受光素子が少なくとも1つ存在する。ここで、また以下において、「透過性（transmissive）」又は「半透明（translucent）」は、少なくとも６０％又は少なくとも８０％の透明度を指す。

同様に、第４の群の受光素子の各受光素子は、近赤外線フィルター等の赤外線フィルターを備えることができる。特定の波長領域の赤外光に対して主に又は排他的に感度を示す受光素子を提供する目的で、第４の群の受光素子は、赤外線フィルターを備えることができる。前記赤外線フィルターが透過性を有する波長領域は、例えば赤外線ＬＥＤ等の照明光源のスペクトルに依存してもよい。例えば、赤外線フィルターの透過波長領域は、９４０ｎｍ又は８５０ｎｍの光を含む。

センサー装置の受光素子をベイヤー状パターンに配置することにより、既存のＩＳＰチップをデベイヤリングに用いることができる。これにより、個々のＩＳＰチップを開発する必要がないので、前記センサー装置を使用するイメージセンサーのコストを低減することができる。デベイヤリングによって、可視波長領域の画像情報を含むデジタル画像を生成することができる。ＩＲ波長領域の画像情報を出力する別の画像処理経路が存在してもよい。

改良された概念によれば、第２のサブ装置は、第１又は第３の群の受光素子が第４の群の受光素子によって置き換えられるという点で、第１のサブ装置とは異なる。ピーク信号対雑音比（ＰＳＮＲ）で表すことができる画質の損失は比較的低い。これは、第２のサブ装置では、第１又は第３の群の受光素子からそれぞれ欠落色情報を、隣接する第１のサブ装置から外挿することができるからである。それに対応して、第１のサブ装置において、欠落したＩＲ色情報は、隣接する第２のサブ装置から外挿することができる。

第２のサブ装置が１つの赤色受光素子、２つの緑色受光素子及び１つのＩＲ受光素子によって形成される実施形態において、得られるセンサー装置は、青色受光素子よりも多くの赤色受光素子を備える。これは、人間の目が青色に対して最も感度が低い一方で、赤色領域に対してより高い感度を有するので、有利である。

いくつかの実施形態では、センサー装置は、複数の第１のサブ装置と複数の第２のサブ装置とを備える。複数の第１及び第２のサブ装置は、行列状に配置される。

これは、センサー装置が、少なくとも２つの第１のサブ装置と、少なくとも２つの第２のサブ装置とを備え得ることを意味する。好ましい実施形態では、第１のサブ装置及び第２のサブ装置は、チェッカーボード方式で構成されてもよい。

センサー装置は、十分な画像解像度を達成するために必要な大きさに形成することができる。さらに、受光素子は、各群の受光素子が行列上に効果的に分散されるように配置される。

センサー装置のいくつかの実施形態では、第１のサブ装置のうちの２つ及び第２のサブ装置のうちの２つは、２×２行列に配置され、第１及び第２のサブ装置はそれぞれ、２×２行列の対向する角部に配置される。

各サブ装置は、４つの受光素子によって形成されるので、センサー装置は、４×４配列の受光素子を備える。そのような配列は、第２の群の８つ（５０％）の受光素子と、第４の群の２つ（１２．５％）の受光素子とを備える。さらに、第１の群の４つ（２５％）の受光素子と、第３の群の２つ（１２．５％）の受光素子とを備えるか、又はその逆を備える。これは、第２の群の受光素子の余剰があることを意味する。

ただし、他のサブ装置により、各横方向にセンサー装置を拡張できる。そのため、２×２行列は、互いに隣接して配置される２×２行列を複数備えた、より大きなセンサー装置のユニットセルであると理解してもよい。

各群の受光素子は、効果的な方法でセンサー装置にわたって分散される。さらに、センサー装置は、各群の受光素子をエリアごとに十分な量で備える。例えば、人間の目が緑に対して最も敏感であるので、緑色受光素子の余剰が存在する。各サブ装置が、ベイヤー状パターンとして形成されることで、従来のＩＳＰチップの使用が可能となる。

いくつかの実施形態では、少なくとも１つの第２のサブ装置は、第１の群の１つの受光素子と、第２の群の２つの受光素子と、第４の群の１つの受光素子とを第２のベイヤー状パターンに配置することによって形成される。少なくとも１つの第３のサブ装置は、第２の群の２つの受光素子、第３の群の１つの受光素子、及び第４の群の１つの受光素子を第３のベイヤー状パターンで配置することによって形成される。

第１、第２及び第３のサブ装置は、センサー装置の延在する主平面において互いに隣接して配置される。

上述のように、第１のベイヤー状パターンは、１つの赤色受光素子、２つの緑色受光素子、及び１つの青色受光素子によって形成される元のベイヤー状パターンを指す。実施形態では、第２のベイヤー状パターンは、元のベイヤー状パターンの青色受光素子がＩＲ受光素子に置き換えられたパターンとして定義される。第３のベイヤー状パターンは、赤色受光素子がＩＲ受光素子に置き換えられたパターンを指す。

第１、第２及び第３のベイヤー状パターンにおいて、第１、第２及び第３の群の受光素子は、同じ場所に配置されてもよい。例えば、第２の群の受光素子が第１のベイヤー状パターンの左下隅及び右上隅に配置される場合、第３のベイヤー状パターンは、この受光素子をこれらの隅部に有してもよい。同じことが、第１及び第３の群の受光素子にも当てはまる。

第１、第２、及び第３のサブ装置は、サブ装置のうちの１つが、それぞれの他の２つのサブ装置と共通の境界を有するように配列されてもよい。しかしながら、他の第１のサブ装置がさらに形成される場合には、これらのサブ装置は、互いに共通の境界を有してもよい。同じことが、他の第２のサブ装置及び他の第３のサブ装置にも当てはまる。

各サブ装置の欠落色情報は、その欠落色を検出するための受光素子を有する隣接するサブ装置から外挿することができるので、画質の損失は少ない。例えば、第３のサブ装置では、赤色についての欠落色情報は、隣接する第１のサブ装置又は第２のサブ装置から外挿することができる。

いくつかの実施形態では、センサー装置は、複数の第１のサブ装置、複数の第２のサブ装置、及び／又は複数の第３のサブ装置を備え、複数の第１、第２、及び第３のサブ装置は、行列状に構成される。

行列は、異なるサブ装置が互いに隣接し、共通の境界を共有するようにすることができる。しかしながら、同じ種類のサブ装置は、それらが共通の境界を共有するように、互いに隣接することもできる。

センサー装置は、十分な画像解像度を達成するために必要な大きさに形成することができる。さらに、受光素子は、各群の受光素子が行列上に効果的に分散されるように配置され得る。

センサー装置のいくつかの実施形態では、第１のサブ装置のうちの２つ、第２のサブ装置のうちの１つ及び第３のサブ装置のうちの１つは、第１のサブ装置が２×２行列の対向する隅部に配置されるように、２×２行列で配置される。各サブ装置は４つの受光素子によって形成されるので、受光素子装置は４×４配列の受光素子を備える。そのような配列は、８つの緑色受光素子（受光素子の総数の５０％）、３つの赤色受光素子（１８．７５％）、３つの青色受光素子（１８．７５％）、及び２つのＩＲ受光素子（１２．５％）を備える。

ただし、センサー装置は、他の第１、第２、及び第３のサブ装置をさらに備えてもよく、これらのサブ装置により、各横方向にセンサー素子配置を拡張してもよい。その意味では、２×２行列は、互いに隣接して配置される２×２行列を複数備えるセンサー装置のユニットセルであると理解してもよい。

各群の受光素子は、効果的な方法でセンサー装置にわたって分散される。さらに、センサー装置は、各群の受光素子をエリアごとに十分な量で備える。例えば、人間の目が緑に対して最も敏感であるので、緑色受光素子の余剰が存在する。各サブ装置は、従来のＩＳＰチップの使用を可能にするベイヤー状パターンとして形成される。

センサー装置のいくつかの実施形態では、異なるサブ装置が、センサー装置の延在する主平面において互いに隣接するように、３つの第１のサブ装置と、３つの第２のサブ装置と、３つの第３のサブ装置とが、３×３行列状に配列される。異なるサブ装置は、横方向に互いに隣接している。これは、第１のサブ装置が、第２のサブ装置と共通の境界と、第３のサブ装置と共通の他の境界とを有するように、第１、第２、及び第３のサブ装置が互いに隣り合って配列されることを意味する。さらに、第２のサブ装置は、第３のサブ装置と共通の境界を有する。同じ種類のサブ装置は、互いに共通の境界を持たない。

各サブ装置は４つの受光素子によって形成されるので、受光素子装置は６×６配列の受光素子を備える。このような配列は、１８個の緑色受光素子（受光素子の総数の５０％）、６つの赤色受光素子（１６．６７％）、６つの青色受光素子（１６．６７％）、及び６つのＩＲ受光素子（１６．７％）を備える。

ただし、受光素子装置は、他の第１、第２、及び第３のサブ装置をさらに備えてもよく、これらのサブ装置により、各横方向にセンサー装置を拡張してもよい。その意味では、３×３行列は、互いに隣接して配置される３×３行列を複数備えた、より大きなセンサー装置のユニットセルであると理解してもよい。

各群の受光素子は、効果的な方法でセンサー装置にわたって分散される。さらに、センサー装置は、各群の受光素子をエリアごとに十分な量で備える。例えば、緑色受光素子の余剰が存在する。各サブ装置は、従来のＩＳＰチップの使用を可能にするベイヤー状パターンとして形成される。さらに、サブ装置のうちの１つにおいて欠落している色情報は、隣接するサブ装置から外挿することができるので、画質の損失は少ない。

センサー装置のいくつかの実施形態では、受光素子は矩形、特に正方形の形状の上面を有する。長方形又は正方形の受光素子をアレイに組み合わせることができる。４つの受光素子は、ベイヤー状パターンで配置される場合がある。

センサー装置のいくつかの実施形態では、受光素子は、フォトダイオード等のセンサー素子を備える。

上述のように、センサー素子は、それぞれのセンサー素子に入射する電磁波から光学情報を取り込むように構成される。センサー素子は、光学情報を示す電気信号を生成する。特に、標準的なＣＭＯＳ技術によって製作されたイメージセンサーの場合、センサー素子の動作原理は、フォトダイオードを用いて光強度を光電流に変換することである。いくつかの実施形態では、センサー素子、例えばフォトダイオードは、波長スペクトルの一部分に調整される。これは、センサー素子は、それらによって検出される波長領域に応じて、異なるように実装される場合があることを意味する。したがって、センサー素子の少なくともいくつかは、ＮＩＲ光に対してより感度が高いなどの異なる特性を有することができる。

センサー素子、例えば、フォトダイオードは、光情報を効率的に電気信号に変換し、これを読み出し回路でさらに評価することができる。センサー装置のいくつかの実施形態では、受光素子はさらに波長フィルターを備える。

例えば、第１、第２、及び第３の群の受光素子は、赤、緑、又は青などの可視領域の特定の部分に対して感度を示す。例えば、感度は、上述のように適切なカラーフィルターを使用することによって達成される。これにより、これらの群の４つの受光素子を、上述のベイヤー状パターン又はベイヤー状パターンを実現するための配列で配置することができる。

第４の群の受光素子は、赤外線フィルターを備える。例えば、赤外線フィルターは、近赤外線フィルターとすることができる。上記のような赤外線フィルターを用いて、特定の波長領域の赤外光に対して主に又は排他的に感度を示す受光素子が提供される。前記赤外線フィルターが透過性を有する波長領域は、例えば赤外線ＬＥＤ等の照明光源のスペクトルに依存してもよい。例えば、赤外線フィルターの透過波長領域は、９４０ｎｍ又は８５０ｎｍの光を含む。

いくつかの実施形態では、特定の波長領域に対する感度は、２つ以上のフィルターの組み合わせによって達成される。例えば、バンドパスフィルターをカットオフフィルターと組み合わせる。バンドパスフィルターは、特定の色の光に対して透過性であってもよく、カットオフフィルターは、さらに、異なる波長領域の光、例えば紫外（ＵＶ）光を遮断してもよい。

さらに、センサー装置を備えるイメージセンサーが提供される。これは、センサー装置について開示された全ての特徴がイメージセンサーについても開示され且つ該イメージセンサーに適用可能であり、その逆も同様であることを意味する。イメージセンサーは、受光素子から電気信号を読み出すための回路をさらに備える。例えば、読出しの目的で、イメージセンサーはストレージコンデンサ、メモリ素子、アナログ－デジタル変換器等を備える。

そのようなイメージセンサーは、スマートフォン、タブレットコンピュータ、ノート型パソコン、又はカメラモジュールなどの電子デバイスにおいて便利に使用することができる。例えば、カメラモジュールは、写真撮影及び／又はビデオ撮影のために可視領域で動作するように構成され、３Ｄ画像及び／又は識別を目的として赤外線領域で動作するように構成される。さらに、ビデオフィードが必要な暗い環境では、赤外線感度を有するイメージセンサーを使用することができる。携帯電話の顔認証ロック解除から自動車のドライバー監視システムまで、幅広く応用される。どちらもＮＩＲスペクトルの光源を使用しているため、携帯電話のユーザーやドライバーは、光源によって目がくらむことはない。これは、光源は、フラッシュ光を使用することがあるものの、このフラッシュは不可視波長領域、例えばＮＩＲ光にあるため、撮影される人を妨害しないことを意味する。

幾つかの実施の形態では、イメージセンサーは、受光素子からの電気信号に基づいてデジタル画像を生成するように構成された画像信号プロセッサーをさらに備える。

回路は、受光素子から来る電気信号がＩＳＰのために前処理されるように実装することができる。例えば、前処理は、欠落色情報のエミュレーションを含んでもよい。回路は、ＩＲ波長領域における画像情報のために、ＩＳＰへの更なる画像処理経路を設けてもよい。上述のように、ＩＳＰは、隣接する受光素子からの色情報を評価することにより、モノカラー画素をポリカラー画素のアレイにマッピングする。さらに、ＩＳＰは、各種機能のうち、画像のエッジ保存を担ってもよい。ＩＳＰによって行われる画像変換は、デベイヤリングと呼ばれる。受光素子がベイヤー状パターンに従って配置されているので、イメージセンサーには従来のＩＳＰチップを使用することができる。

本目的は、さらに、センサー装置を製造する方法によって解決される。センサー装置について開示されたすべての特徴は、センサー装置を製造するための方法にも開示され、適用可能であり、その逆もまた同様である。

本方法は、赤色波長領域の光を検出するように構成された第１の群の受光素子を設けることと、緑色波長領域の光を検出するように構成された第２の群の受光素子を設けることと、青色波長領域の光を検出するように構成された第３の群の受光素子を設けることと、赤外線波長領域の光を検出するように構成された第４の受光素子群を設けることとを備える。

本方法は、第１の群の１つの受光素子、第２の群の２つの受光素子、及び第３の群の１つの受光素子を第１のベイヤー状パターンで配置することによって、少なくとも１つの第１のサブ装置を形成することをさらに備える。

本方法は、第２の群の２つの受光素子、第４の群の１つの受光素子、及び第１又は第３の群の１つの受光素子を第２のベイヤー状パターンで配置することによって、少なくとも１つの第２のサブ装置を形成することをさらに備える。

本方法は、少なくとも１つの第１のサブ装置と少なくとも１つの第２のサブ装置とを、センサー装置の主延在平面内で互いに隣接して配置することをさらに備える。

受光素子をベイヤー状パターンに配置することによって、既存のＩＳＰチップをデベイヤリングに使用することができる。これにより、個々のＩＳＰチップを開発する必要がないので、上記センサー装置を使用するイメージセンサーのコストを低減することができる。各サブ装置において欠落している色情報は、隣接するサブ装置から外挿することができるので、画質の損失は少ない。

本方法の変形例では、複数の第１のサブ装置及び複数の第２のサブ装置を形成することと、複数の第１及び第２のサブ装置を行列状に配置することとをさらに備える。

センサー装置は、十分な画像解像度を達成するために必要な大きさに形成することができる。さらに、受光素子は、各群の受光素子が行列上に効果的に分散されるように配置される場合がある。

本方法の変形例では、第１のサブ装置のうちの２つ及び第２のサブ装置のうちの２つは、第１のサブ装置及び第２のサブ装置がそれぞれ２×２行列の対向する隅部に配置されるように、２×２行列に配置される。

各群の受光素子は、効果的な方法で受光素子装置にわたって分散される。さらに、センサー装置は、各群の受光素子をエリアごとに十分な量で備える。

本方法のさらなる実施形態は、上述の受光素子装置の実施形態から当業者に明らかになる。

以下の図面の説明により、改良された概念の態様をさらに示し、説明する。機能的に同一であるか、又は同一の効果を有するセンサー装置の構成要素及び部品は、同一の参照記号によって示される。同一又は実質的に同一の構成要素及び部分は、それらが最初に示される図面に関してのみ説明される場合がある。それらの重複する説明については、後続の図面において省略される場合がある。

改良された概念に係るセンサー装置の実施形態の例を示す。 改良された概念に係るセンサー装置の別の実施形態の例を示す。 改良された概念に係るセンサー装置の別の実施形態の例を示す。 改良された概念に係るセンサー装置の別の実施形態の例を示す。 改良された概念に係るセンサー装置の別の実施形態の例を示す。 改良された概念に係るセンサー装置の別の実施形態の例を示す。 改良された概念に係るセンサー装置の別の実施形態の例を示す。 センサー装置の例を示す。 サブ装置の斜視図を示す。 センサー装置を備えるイメージセンサーの模式図を示す。

図１は、センサー装置１の実施形態の例を示す上面図である。図１に示すセンサー装置１は、２×４配列に配置された８つの受光素子２、３、４、５を備える。すなわち、センサー装置１は、第１の群の１つの受光素子２と、第２の群の４つの受光素子３と、第３の群の１つの受光素子４と、第４の群の１つの受光素子５とを備える。

第１の群の受光素子２は、赤色波長領域の光を検出するように構成される。このため、以下では、それらを赤色受光素子２と称する。

第２の群の受光素子３は、緑色波長領域の光を検出するように構成されているので、緑色受光素子３と称する。

第３の群の受光素子４は、青色波長領域の光を検出するように構成されているので、青色受光素子４と称する。

第４の群の受光素子５は、赤外線（ＩＲ）又は近赤外線（ＮＩＲ）の波長領域の光を検出するように構成されているので、ＩＲ受光素子５と称する。

図１に示すセンサー装置１は、第１のベイヤー状パターンを形成する第１のサブ装置６と、第２のベイヤー状パターンを形成する第２のサブ装置７とによって形成されていると見なすことができる。それぞれのベイヤー状パターンは、互いに対向して配置され第１の波長領域に感度を有する２つの受光素子と、それぞれ第２及び第３の波長領域に感度を有する他の２つの受光素子との２×２配列の受光素子によって形成される。このように、ベイヤー状パターンは、パターンの右上、左上、右下、及び左下の隅部を備える。図１の第１のサブ装置６では、１つの赤色受光素子２、２つの緑色受光素子３及び１つの青色受光素子４により第１のベイヤー状パターンが形成されている。２つの緑色受光素子３は、第１のベイヤー状パターンの左下隅及び右上隅に互いに対向して配置されている。赤色受光素子２は左上隅に配置され、青色受光素子４は第１のベイヤー状パターンの右下隅に配置される。しかしながら、第１のベイヤー状パターン内のそれぞれの受光素子２、３、４の位置は、２つの緑色受光素子３が互いに対向して配置されているかぎり、入れ替えることができる。

図１の第２のサブ装置７では、第２のベイヤー状パターンが、１つの赤色受光素子２、２つの緑色受光素子３及び１つのＩＲ受光素子５により形成されている。２つの緑色受光素子３は、第２のベイヤー状パターンの左下隅及び右上隅に互いに対向して配置されている。赤色受光素子２は左上隅に配置され、ＩＲ受光素子５は第２のベイヤー状パターンの右下隅に配置されている。第２のベイヤー状パターン内のそれぞれの受光素子２、３、５の位置は、２つの緑色受光素子３が互いに対向して配置されているかぎり、入れ替えることができる。しかしながら、同じ群の受光素子の位置は、第１のベイヤー状パターンと第２のベイヤー状パターンとで等しくすることができる。これは、第１のサブ装置６及び第２のサブ装置７とで共通する受光素子が同じ位置にあってもよいことを意味する。

第１のサブ装置６と第２のサブ装置７とは、横方向ｘにおいて互いに隣接している。横方向ｘ、ｙは、センサー装置１の延在する主平面に平行に延在する。これは、第１のサブ装置が第２のサブ装置７と共通の境界を共有することを意味する。共通の境界は、破線で示される。

なお、センサー装置１は、図１に示すサブ装置の隣に同様に配置された第１及び第２のサブ装置６、７をさらに備えてもよい。これは、他のサブ装置が、楕円によって示されるように、各横方向ｘ、ｙにセンサー装置１を拡張し得ることを意味する。その意味で、図１は、センサー装置１のユニットセルを示し得る。

図２は、センサー装置１の別の実施形態の例を示す上面図である。図２に示すセンサー装置１は、図１と同様であるが、第２のサブ装置７’が、１つのＩＲ受光素子５と、２つの緑色受光素子３と、１つの青色受光素子４とによって形成され、第２のベイヤー状パターンを形成する点で相違する。この場合も、２つの緑色受光素子３は、第１のベイヤー状パターンの左下隅及び右上隅に互いに対向して配置される。ＩＲ受光素子５は、左上隅に配置され、青色受光素子４は、第２のベイヤー状パターンの右下隅に配置される。したがって、同じ群の受光素子の位置は、第１のベイヤー状パターンと第２のベイヤー状パターンとで等しい。

図１に関連して説明された他の特徴は、すべて図２に示された実施形態にも適用される。ただし、これらの実施形態は、センサー装置１全体が、図１及び図２に示すセンサー装置１を組み合わせることによって形成されるように、互いに組み合わせることもできる。

図３は、センサー装置１の別の実施形態の例を示す上面図である。図３のセンサー装置１は、図１で説明したものとして、３つの第１のサブ装置６及び１つの第２のサブ装置７を備える。第１及び第２のサブ装置６、７は、横方向ｘ、ｙに互いに隣接するように２×２行列に配置される。

この実施形態では、３つの第１のサブ装置６は、センサー装置１の３つの象限に配置され、第２のサブ装置７は、残りの象限に配置される。図３において、センサー装置１の象限は、破線で示される。センサー装置１の特定の象限へのサブ装置の割り当ては任意である。

３つの第２のサブ装置７及び１つの第１のサブ装置６が組み合わされるように、第１及び第２のサブ装置６、７を入れ替えることによって、図３と同様のセンサーアレイを形成できることは、当業者にとって明らかである。さらに、第２のサブ装置７’は、図２に記載されているように、すなわち、２つの緑色、１つの青色、及び１つのＩＲ受光素子５を設けることによって形成することもできる。

図１に関連して説明された他の特徴は、すべて図３に示された実施形態にも適用される。ただし、それらの実施形態は、図１から図３に係るセンサー装置１を組み合わせることによって、センサー装置１全体が形成されるように、互いに組み合わせることもできる。

図４は、センサー装置１の好ましい実施形態の上面図を示す。図４のセンサー装置１は、図１で説明したものと同様に、２つの第１のサブ装置６と、２つの第２のサブ装置７とを備える。第１及び第２のサブ装置６、７は、横方向ｘ、ｙに互いに隣接するように、２×２行列に配置される。

この実施形態では、２つの第１のサブ装置６は、センサー装置１の対向する象限に配置され、２つの第２のサブ装置７は、残りの２つの対向する象限に配置される。図４において、センサー装置１の象限は、破線で示される。センサー装置１の特定の象限へのサブ装置の割り当ては、同様のサブ装置、すなわち、同様のベイヤー状パターンを有するサブ装置が対向する象限に配置されるかぎり、任意である。このように、サブ装置は、チェッカーボードパターンで配置される。

上記実施形態に係るセンサー装置１は、４×４配列に配置された１６個の受光素子を備える。すなわち、センサー装置１は、８つの緑色受光素子３、４つの赤色受光素子２、２つの青色受光素子４及び２つのＩＲ受光素子５を備える。従来のベイヤー状パターン配列と比較して、２つの青色受光素子４は、ＩＲ受光素子５に置き換えられる。上記センサー装置１を備えるイメージセンサー１４は、ＩＲ放射を検出することができる。青色領域における色情報の損失は、青色受光素子４の効率的な分配によって補償することができる。加えて、人間の目は青色に対する感度が最も低いため、欠落色情報の重要度は低い。

なお、センサー装置１は、図４に示すサブ装置に隣接して同様に配置された、他の第１及び第２のサブ装置６、７をさらに備えてもよい。これは、他のサブ装置が、楕円によって示されるように、各横方向ｘ、ｙにセンサー装置１を拡張し得ることを意味する。その意味で、図４は、センサー装置１のユニットセルを示す。さらに、図４に示す実施形態は、図１～図３に示す前述の実施形態と組み合わせることができる。

図５は、図４の実施形態と同様の、センサー装置１の別の好ましい実施形態の上面図を示す。図５に示す実施の形態は、図２で説明したように、第２のサブ装置７’が、１つのＩＲ受光素子５と、２つの緑色受光素子３と、１つの青色受光素子４とによって形成され、第２のベイヤー状パターンを形成している点で異なる。

従って、センサー装置１は、８つの緑色受光素子３と、４つの青色受光素子４と、２つの赤色受光素子２と、２つのＩＲ受光素子５とを備える。したがって、図４の実施形態と比較して、この実施形態は、赤色領域に対してより感度が低く、青色に対してより感度が高い。

図４に関連して説明された他の特徴は、すべて図５に示された実施形態にも適用される。

図６は、センサー装置１の別の好ましい実施形態の上面図を示す。この実施形態では、第２のサブ装置７は、１つの赤色受光素子２と、２つの緑色受光素子３及び１つのＩＲ受光素子５とによって形成され、第２のベイヤー状パターンを形成する（図１に示される第２のベイヤー状パターン参照）。第３のサブ装置８は、１つのＩＲ受光素子５、２つの緑色受光素子３、及び１つの青色受光素子４によって形成され、第３のベイヤー状パターンを形成する。第３のベイヤー状パターンは、図２に示される第２のベイヤー状パターンに対応する。これは、この実施形態では、第２のベイヤー状パターンの両方の変形例が組み合わされることを意味する。

第１、第２、及び第３のサブ装置６、７、８は、横方向ｘ、ｙにおいて互いに隣接するように、２×２行列に配置される。この実施形態では、２つの第１のサブ装置６は、センサー装置１の対向する象限に配置され、第２及び第３のサブ装置７、８は、残りの２つの対向する象限に配置される。図６において、センサー装置１の象限は、破線で示される。センサー装置１の特定の象限へのサブ装置の割り当ては任意である。

この実施形態に係るセンサー装置１も、４×４配列に配置された１６個の受光素子を備える。しかし、ここでは、センサー装置１は、８つの緑色受光素子３と、３つの赤色受光素子２と、３つの青色受光素子４と、２つのＩＲ受光素子５とを備える。したがって、赤色及び青色受光素子４の数は等しい。

上述したように、図６に示すセンサー装置１は、各横方向ｘ、ｙに拡大することができる。

図７は、センサー装置１の別の実施形態の上面図を示す。この実施形態に係るセンサー装置１は、３つの第１のサブ装置６と、３つの第２のサブ装置７と、３つの第３のサブ装置８とを備え、これらは３×３行列状に配置されている。

サブ装置は、異なるサブ装置が横方向ｘ、ｙに互いに隣接するように、３×３行列に配置される。言い換えれば、同じサブ装置は、互いに共通の境界を共有しない。これは、第１のサブ装置６が、第２のサブ装置７及び第３のサブ装置８と共通の境界を共有するが、他の第１のサブ装置６とは共有しないことを意味する。したがって、これは、第２及び第３のサブ装置７、８にも当てはまる。

図７は、３×３行列内のサブ装置の配置の一例を示す。しかしながら、センサー装置１内の各サブ装置の詳細位置は任意である。他の配置も可能である。

図７に示す実施形態は、６×６配列に配置された受光素子を備える。例えば、センサー装置１は、１８個の緑色受光素子３（５０％）、６つの赤色受光素子２（１６．６７％）、６つの青色受光素子４（１６．６７％）及び６つのＩＲ受光素子５（１６．６７％）を備える。従って、赤色、青色及びＩＲの受光素子５の数は等しく、それらの受光素子はセンサーアレイ上に均等に分布される。緑色受光素子３には余剰があるが、これは人間の目が緑色波長領域に対して最も敏感であるという事実によって正当性を有する。

上述したように、センサー装置１は、十分に大きな受光素子のアレイを形成するように、他のサブ装置によって拡大することができる。

図８は、センサー装置１の例を示す上面図である。この例は、２つの第１のサブ装置６と、２つの他のサブ装置１７、１７’とを備え、それらは１つの赤色受光素子２、１つの緑色受光素子、１つの青色受光素子４、及び１つのＩＲ受光素子５によって形成される。これは、従来のベイヤー状パターンと比較して、緑色受光素子３のうちの１つが置き換えられることを意味する。２つの他のサブ装置１７，１７’のうちの一方では、２×２配列の右上隅の緑色受光素子がＩＲ受光素子５に置き換えられ、２つの他のサブ装置１７，１７’のうちの他方では、２×２配列の左下隅の緑色受光素子がＩＲ受光素子５で置き換えられる。

第１のサブ装置６及び他のサブ装置１７、１７’は、横方向ｘ、ｙにおいて互いに隣接するように、２×２行列に配置される。この実施形態では、２つの第１のサブ装置６は、センサー装置１の対向する象限に配置され、他のサブ装置１７、１７’は、残りの２つの対向する象限に配置される。図８において、センサー装置１の象限は、破線で示される。センサー装置１の特定の象限へのサブ装置の割り当ては任意である。

図９は、センサー装置１の第１のサブ装置６の例を示す斜視図である。破線は、センサー装置１全体を形成するように、他のサブ装置が、横方向ｘ、ｙにおいて隣接して配置され得ることを示す。第１のサブ装置６は、センサー素子１０が配置される基板９を備える。各センサー素子１０は、同一の基板９、例えば半導体基板９に形成することができる。各センサー素子１０は上面１１を備える。

センサー装置１の延在する主平面に垂直な縦方向ｚには、フィルター層１２がセンサー素子１０の上面１１に配置される。フィルター層１２は、第１のベイヤー状パターンを形成するように、波長フィルター１３を備える。これは、２つの対向する波長フィルター１３は緑色光に対して透明であるが、残りの波長フィルター１３は赤色光及び青色光に対してそれぞれ透明であることを意味する。ＩＲ光用の波長フィルター１３は、センサー素子１０の上部に同様に配置することができる。波長フィルター１３は、センサー素子１０の上面１１と入射電磁波源（図示せず）との間に配置される。これにより、下にあるセンサー素子１０は、それぞれの波長フィルター１３が透光性を有する、特定の波長領域の光を検出する。

図１０は、上述のセンサー装置１を備えるイメージセンサー１４の実施形態の例を示す模式図である。イメージセンサー１４はさらに、受光素子から電気信号を読み出すための回路１５を備えている。例えば、回路１５は、ストレージコンデンサ、メモリ素子、アナログ－デジタル変換器等を含んでもよい。回路１５は、センサー装置１の受光素子２、３、４、５に電気的に接続される。ただし、センサー装置は、複数の受光素子２、３、４、５を備えてもよい。回路１５及びセンサー装置１は、センサーチップ１８上に集積されていてもよい。イメージセンサー１４は、さらに、画像信号プロセッサー、ＩＳＰ１６を備えており、これは、受光素子からの電気信号に基づいてデジタルイメージを生成するように構成されている。このように、ＩＳＰ１６は、受光素子から電気信号を読み出すための回路１５に電気的に接続される。ＩＳＰ１６は、センサーチップ１８とは別のチップを形成してもよい。回路１５は、受光素子２、３、４、５から来る電気信号がＩＳＰ１６のために前処理されるように実装することができる。これにより、標準的なＩＳＰ１６をデベイヤリングのために使用することができる。回路１５は、ＩＲ波長領域における画像情報のために、ＩＳＰ１６に対する他の画像処理経路を提供することができる。

本明細書に開示されるセンサー装置１及びセンサー装置１を製造する方法の実施形態は、読者に本発明の新規な態様を熟知させることを目的として説明されている。好ましい実施形態が示され、説明されてきたが、開示された概念の多くの変更、修正、等価物、及び置換が、特許請求の範囲から不必要に逸脱することなく、当業者によって行われ得る。

本開示は、開示された実施形態に限定されず、本明細書において上記で具体的に示され、説明されたものに限定されないことが理解されよう。むしろ、別々の従属請求項又は明細書に記載された特徴は、有利に組み合わせることができる。さらに、本開示の範囲は、当業者には明らかであり、添付の特許請求の範囲内に入る、それらの変形及び修正を含む。

用語「備える（ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ）」は、それが特許請求の範囲又は明細書において使用されているかぎり、対応する特徴又は手順の他の要素又はステップを除外しない。用語「１つの（ａ）」又は「１つの（ａｎ）」が特徴と併せて使用された場合、それらは、複数のそのような特徴を排除しない。さらに、クレーム中の引用符号は、範囲を限定するものと解釈されるべきではない。

本特許出願は、欧州特許出願第２０１９６６９２．６号の優先権を主張し、その開示内容は、参照により本明細書に組み込まれる。

１ センサー装置
２ 受光素子赤
３ 受光素子、緑
４ 受光素子、青
５ 受光素子ＩＲ
６ 第１のサブ装置
７、 ７’ 第２のサブ装置
８ 第３のサブ装置
９ 基板
１０ センサー素子
１１ センサー素子の上面
１２ フィルター層
１３ 波長フィルター
１４ イメージセンサー
１５ 回路
１６ 画像信号プロセッサー
１７、１７’ 他のサブ装置
１８ センサーチップ
ｘ、ｙ 横方向
ｚ 縦方向

Claims (7)

1. 赤色波長領域の光を検出する第１の群の受光素子（２）と、
   緑色波長領域の光を検出する第２の群の受光素子（３）と、
   青色波長領域の光を検出する第３の群の受光素子（４）と、
   赤外線波長領域の光を検出する第４の群の受光素子（５）と、
   を備えるセンサー装置（１）であって、
   複数の第１のサブ装置（６）は、前記第１の群の１つの受光素子（２）と、前記第２の群の２つの受光素子（３）と、前記第３の群の１つの受光素子（４）とを第１のベイヤー状パターンでそれぞれ配置することにより形成され、
   複数の第２のサブ装置（７）は、前記第２の群の２つの受光素子（３）と、前記第４の群の１つの受光素子（５）と、前記第１の群の１つの受光素子（２）とを第２のベイヤー状パターンでそれぞれ配置することにより形成され、
   複数の第３のサブ装置（８）は、前記第２の群の２つの受光素子（３）と、前記第３の群の１つの受光素子（４）と、前記第４の群の１つの受光素子（５）とを第３のベイヤー状パターンでそれぞれ配置することにより形成され、
   前記センサー装置（１）の延在する主平面内で、互いに異なるサブ装置（６、７、８）が隣接するように、３つの前記第１のサブ装置（６）と、３つの前記第２のサブ装置（７）と、３つの前記第３のサブ装置（８）とが３×３行列状に配置される、
   センサー装置（１）。
2. 前記受光素子（２、３、４、５）が、長方形、特に正方形の上面を有する、
   請求項１に記載のセンサー装置（１）。
3. 受光素子（２、３、４、５）が、センサー素子（１０）、特にフォトダイオードを備える、
   請求項１又は２に記載のセンサー装置（１）。
4. 前記受光素子（２、３、４、５）が、波長フィルター（１３）をさらに備える、請求項１～３のいずれか一項に記載のセンサー装置（１）。
5. 請求項１～４のいずれか一項に記載の前記センサー装置（１）を備えるイメージセンサー（１４）であって、前記イメージセンサー（１４）は、前記受光素子（２、３、４、５）からの電気信号を読み出す回路（１５）をさらに備える、
   イメージセンサー（１４）。
6. 前記受光素子（２、３、４、５）からの前記電気信号に基づいて、デジタル画像を生成するように構成された画像信号プロセッサー（１６）をさらに備える、
   請求項５に記載のイメージセンサー（１４）。
7. センサー装置（１）を製造する方法であって、
   赤色波長領域の光を検出する第１の群の受光素子（２）と、緑色波長領域の光を検出する第２の群の受光素子（３）と、青色波長領域の光を検出する第３の群の受光素子（４）と、赤外線波長領域の光を検出する第４の群の受光素子（５）と、を設けるステップと、
   複数の第１のサブ装置（６）を、前記第１の群の１つの受光素子（２）と、前記第２の群の２つの受光素子（３）と、前記第３の群の１つの受光素子（４）とを第１のベイヤー状パターンでそれぞれ配置することにより形成するステップと、
   複数の第２のサブ装置（７）を、前記第２の群の２つの受光素子（３）と、前記第４の群の１つの受光素子（５）と、前記第１の群の１つの受光素子（２）とを第２のベイヤー状パターンでそれぞれ配置することにより形成するステップと、
   複数の第３のサブ装置（８）を、前記第２の群の２つの受光素子（３）と、前記第３の群の１つの受光素子（４）と、前記第４の群の１つの受光素子（５）とを第３のベイヤー状パターンでそれぞれ配置することにより形成するステップと、
   を含み、
   前記センサー装置（１）の延在する主平面内で、互いに異なるサブ装置（６、７、８）が隣接するように、３つの前記第１のサブ装置（６）と、３つの前記第２のサブ装置（７）と、３つの前記第３のサブ装置（８）とが３×３行列状に配置される、
   方法。