JP4644423B2 - カラー固体撮像素子及びこのカラー固体撮像素子を用いた固体撮像装置並びにデジタルカメラ - Google Patents

Description

本発明は、カラーフィルタを有する固体撮像素子及びこの固体撮像素子と干渉型赤外線カットフィルタとを組み合わせた固体撮像装置並びにデジタルカメラに関する。

デジタルスチルカメラやデジタルビデオカメラ等のデジタルカメラにはＣＣＤやＣＭＯＳ等の固体撮像素子が搭載され、レンズを通して入射してくる光学像を固体撮像素子で電気信号に変換する。カラー固体撮像素子の表面には多数の光電変換素子（例えばフォトダイオード：以下、画素ともいう。）がアレイ状に形成されており、各画素の上部には、原色系カラー固体撮像素子であれば、Ｒフィルタ，Ｇフィルタ，Ｂフィルタのいずれかのカラーフィルタが形成されている。

図１３は、上述したカラー固体撮像素子における分光感度を示すグラフである。Ｒフィルタが形成された画素（以下、Ｒ画素ともいう。）は、入射光量のうちＲフィルタを透過した赤色成分の入射光量に応じた電気信号を出力し、ＧフィルタやＢフィルタが形成された画素も同様に、入射光のうちＧフィルタ，Ｂフィルタを夫々透過した緑色成分，青色成分の入射光量に応じた電気信号を出力する。

しかし、Ｒフィルタとして用いることができる顔料や染料は、赤外線を理想的に吸収することができないため、Ｒ画素から出力される信号には、多量の赤外線の入射光量に応じた信号が含まれてしまう。

そこで従来から、カラー固体撮像素子の前面に赤外線カットフィルタを挿入し、Ｒフィルタでは遮断することができない赤外線を、赤外線カットフィルタで遮断する様にしている。

赤外線カットフィルタには、大別して２種類のフィルタがあり、１つが色ガラスフィルタであり、もう１つが反射膜を利用した干渉型赤外線カットフィルタである。図１４は、各赤外線カットフィルタの分光透過率を示すグラフであり、色ガラスフィルタの分光透過率のグラフが特性線Ｉであり、干渉型赤外線カットフィルタの分光透過率が特性線IIである。

この図１４から分かる通り、色ガラスフィルタは、可視域の赤色光も吸収してしまうのに対し、干渉型赤外線カットフィルタは、カット波長（透過率が５０％となる波長で表す。）以上の赤外線を急峻にカットする性質がある。

図１５は、赤外線カットフィルタをカラー固体撮像素子の前面に配置した状態における分光感度を示すグラフである。実線で示す干渉型赤外線カットフィルタを用いた分光感度は、カット波長（この例では、カット波長が６５５ｎｍとなるように製造された干渉型赤外線カットフィルタ（ＩＲ６５５と標記）を用いている。）付近で分光感度が急峻に低下し、カット波長より短い波長での分光感度の低下は殆どないことが分かる。

これに対し、点線は色ガラスフィルタを用いた分光感度であり、赤色（Ｒ）の感度低下が大きいことが分かる。また、緑色（Ｇ）の感度低下も起きている。干渉型赤外線カットフィルタを用いたＲ，Ｇ，Ｂの夫々の感度を“１００”としたとき、色ガラスフィルタを用いたときのＲ，Ｇ，Ｂの夫々の感度は、次の表１に示す様に、特に赤色で低下する。

このため、カラー固体撮像素子と組み合わせる赤外線カットフィルタとしては、感度低下が低い干渉型赤外線カットフィルタが用いられることが多い。

しかしながら、干渉型赤外線カットフィルタには、光線が斜めに通過すると、その分光特性が変わってしまうという不具合が存在する。具体的には、入射光が斜めに入る程、カット波長が短波長側にシフトしてしまうという不具合である。図１４に示す特性線IIは、平板状干渉型赤外線カットフィルタの表面に垂直に入射光が入射（入射角０度）した場合であり、特性線II’は、入射光の入射角が１３度となったときの特性である。特性線II’は、特性線IIに対してカット波長が約５ｎｍだけ短波長側にシフトしている。

近年のデジタルスチルカメラは、小型化，薄型化が進行し、携帯電話機にまで搭載されるようになってきている。このような小型化等が進行すると、干渉型赤外線カットフィルタが設けられたカラー固体撮像素子の前段に短焦点レンズが使用され、このため、レンズを通過した入射光は、固体撮像素子の中央で入射角０度（垂直）となるが、固体撮像素子の周辺部では、斜めに入射することになる。その入射角は、小型化の進んだデジタルカメラでおおよそ１３度程度であるが、更に小型化が進むと、入射角は１３度以上になる。

図１４の特性線II’から分かるとおり、入射光が干渉型赤外線カットフィルタに斜めに入射することで起きるカット波長のシフトは、緑色や青色の領域には及ばないため、緑色や青色における感度低下は引き起こさない。しかし、カット波長のシフトは、赤色の感度低下を引き起こす。即ち、固体撮像素子の周辺部に行くほど、赤色の感度低下がおき、色ムラ（色シェーディング）が生じてしまう。例えば、全面グレーの画像を撮像したとき、画像の端では赤不足となり、シアン味になってしまう。

そこで、例えば下記特許文献１記載の従来技術では、固体撮像素子の前に配置する干渉型赤外線カットフィルタを、平板状とせずに、湾曲させた形状とし、固体撮像素子の周辺部における入射光の入射角が小さくなるようにしている。

特開平１１―３５２３２４号公報

干渉型赤外線カットフィルタを曲面形状にし、固体撮像素子への入射光の入射角が固体撮像素子周辺部で大きくならないようにすることで、干渉型赤外線カットフィルタにおけるカット波長のシフトに起因する色ムラを低減することができる。

しかし、干渉型赤外線カットフィルタを曲面形状にすると、干渉型赤外線カットフィルタの厚さが増し、デジタルカメラの小型化，薄型化を阻害する要因になってしまうと共に、干渉型赤外線カットフィルタの製造コストが嵩んでしまうという問題が生じる。

本発明の目的は、干渉型赤外線カットフィルタと組み合わせて用いたとき斜め入射光に起因する色ムラを改善できるカラー固体撮像素子及びこのカラー固体撮像素子を用いた固体撮像装置並びデジタルカメラを提供することにある。

本発明のカラー固体撮像素子は、干渉型赤外線カットフィルタと組み合わせて使用されるカラー固体撮像素子において、前記干渉型赤外線カットフィルタに入射光が入射角１３度で斜めに入ったときの該干渉型赤外線カットフィルタの透過率が５０％となる波長（以下、カット波長という。）の短波長側へのシフト範囲における入射光を吸収する色材を入射光路内のいずれかの層に含有させたことを特徴とする。

この構成により、干渉型赤外線カットフィルタのカット波長がカラー固体撮像素子の周辺部でシフトしても、元々の赤色分光感度が色材によって低くなっているため、カラー固体撮像素子周辺部での赤色不足が目立つことがなくなる。

本発明のカラー固体撮像素子は、有効画素のうち赤色を透過するカラーフィルタが設けられる画素への入射光路内のいずれかの層に前記色材を含有させたことを特徴とする。

この構成により、色材による他の画素への影響を抑制可能となる。

本発明のカラー固体撮像素子は、有効画素の全画素の入射光路内のいずれかの層に前記色材を含有させたことを特徴とする。

この構成により、色材を含有させる工程が容易となる。

本発明のカラー固体撮像素子は、前記入射光路内に配置されるカラーフィルタ，マイクロレンズ，前記カラーフィルタの上層且つ前記マイクロレンズの下層となる第１の平坦化層，前記カラーフィルタの下層となる第２の平担化層の少なくとも１つに前記色材が含有されることを特徴とする。

この構成により、カラーフィルタ形成工程，平坦化層形成工程，マイクロレンズ形成工程で色材を含有させることができる。

本発明のカラー固体撮像素子は、前記色材を含有させ赤色の分光感度のピーク感度に対して前記カット波長における感度を半分以下としたことを特徴とする。

この構成により、カラー固体撮像素子の中央部に比べて周辺部における赤色不足の差を一層小さくすることができる。好ましくは、半分（０．５）よりも更に小さく、０．４以下、更に好ましくは０．３以下とするのが良い。

本発明のカラー固体撮像素子と組み合わせる前記干渉型赤外線カットフィルタが、６７０ｎｍ〜６９０ｎｍの範囲内のカット波長を持つことを特徴とする。

この構成により、より一層、カラー固体撮像素子の中央部に比べて周辺部における赤色不足の差を小さくすることができる。

本発明の固体撮像装置は、上述したいずれかのカラー固体撮像素子と組み合わせて使用されことを特徴とする。

この構成により、干渉型赤外線カットフィルタがカットする赤色分光感度の裾野部分が更に低下し、カラー固体撮像素子中央部に比較して周辺部における赤色不足の差が更に小さくなる。

本発明の固体撮像装置は、干渉型赤外線カットフィルタと、カラー固体撮像素子とを組合わせて用いる固体撮像装置において、前記カラー固体撮像素子の赤色分光感度のピーク感度を“１００”としたときに前記干渉型赤外線カットフィルタのカット波長よりも２０ｎｍ短波の波長が赤色ピーク感度波長より長波であり且つ前記２０ｎｍ短波の波長での赤色分光感度が“８０”以下となるように入射光路内に赤色吸収色材を設けたことを特徴とする。

この構成により、干渉型赤外線カットフィルタのカット波長がカラー固体撮像素子の周辺部でシフトしても、元々の赤色分光感度が色材によって低くなっているため、カラー固体撮像素子周辺部での赤色不足が目立つことがなくなる。

本発明の固体撮像装置は、前記カラー固体撮像素子と前記干渉型赤外線カットフィルタとが一体成形されたことを特徴とする。

この構成により、固体撮像装置の取り扱いが容易となる。

本発明のデジタルカメラは、撮影レンズと、上述したいずれかの固体撮像装置と、該固体撮像装置から出力される撮像画像データを処理して記憶メディアに記録する制御手段とを備えることを特徴とする。

この構成により、被写体画像の周辺部における色ムラが小さくなり目立たなくなる。

本発明のデジタルカメラは、撮影レンズと、該撮影レンズを通して入射してくる光の中の赤外線をカットする干渉型赤外線カットフィルタと、該干渉型赤外線カットフィルタを通して入射してくる光学像を電気信号に変換するカラー固体撮像素子と、該カラー固体撮像素子の出力信号を処理し画像データを記憶媒体に格納する制御手段とを備えるデジタルカメラにおいて、前記干渉型赤外線カットフィルタに入射光が入射角１３度で斜めに入ったときの該干渉型赤外線カットフィルタのカット波長（透過率が５０％となる波長）の短波長側へのシフト範囲における入射光を吸収する色材を含有する膜を前記撮影レンズ、光学ローパスフィルタまたは前記干渉型赤外線カットフィルタの表面に形成したことを特徴とする。

この構成により、被写体画像の周辺部における色ムラが小さくなり目立たなくなると共に、色材膜の形成が容易となる

本発明のよれば、短焦点レンズを用いた場合でも、固体撮像素子中央部に比べて周辺部での赤色不足を小さくすることが可能となる。

以下、本発明の一実施形態について、図面を参照して説明する。

図１は、本発明の一実施形態に係るデジタルスチルカメラの構成図である。この実施形態ではデジタルスチルカメラを例にしているが、デジタルビデオカメラやカメラ付携帯電話機等の他の種類のデジタルカメラにも本発明を適用可能である。

図１に示すデジタルスチルカメラは、撮影レンズ１０と、カラー固体撮像素子１１と、この両者の間に設けられた絞り１２と、平板状の干渉型赤外線カットフィルタ１３と、光学ローパスフィルタ１４とを備える。デジタルスチルカメラの全体を制御するＣＰＵ１５は、フラッシュ用の発光部１６及び受光部１７を制御し、また、レンズ駆動部１８を制御して撮影レンズ１０の位置をフォーカス位置に調整し、絞り駆動部１９を介し絞り１２の開口量を制御して露光量が適正露光量となるように調整する。

また、ＣＰＵ１５は、撮像素子駆動部２０を介して固体撮像素子１１を駆動し、撮影レンズ１０を通して撮像した被写体画像を色信号として出力させる。また、ＣＰＵ１５には、操作部２１を通してユーザの指示信号が入力され、ＣＰＵ１５はこの指示に従って各種制御を行う。

デジタルスチルカメラの電気制御系は、固体撮像素子１１の出力に接続されたアナログ信号処理部２２と、このアナログ信号処理部２２から出力されたＲＧＢの色信号をデジタル信号に変換するＡ／Ｄ変換回路２３とを備え、これらはＣＰＵ１５によって制御される。

更に、このデジタルスチルカメラの電気制御系は、メインメモリ２４に接続されたメモリ制御部２５と、ホワイトバランス補正やガンマ補正，同時化処理等を行うデジタル信号処理部２６と、撮像画像をＪＰＥＧ画像に圧縮したり圧縮画像を伸張したりする圧縮伸張処理部２７と、固体撮像素子１１から出力されデジタルデータに変換された画像データをＲ，Ｇ，Ｂ毎に積算し各積算値をデジタル信号処理部２６にホワイトバランス補正用として出力する積算部２８と、着脱自在の記録媒体２９が接続される外部メモリ制御部３０と、カメラ背面等に搭載された液晶表示部３１が接続される表示制御部３２とを備え、これらは、制御バス３３及びデータバス３４によって相互に接続され、ＣＰＵ１５からの指令によって制御される。

尚、干渉型赤外線カットフィルタ１３と光学ローパスフィルタ１４の配置順を逆にし、更に、干渉型赤外線カットフィルタ１３を固体撮像素子１１の表面に一体成形することでもよい。

図２は、本実施形態で用いるカラー固体撮像素子の表面模式図である。本実施形態では、ハニカム画素配置の単板式カラーＣＣＤを固体撮像素子１１として用いている。このＣＣＤでは、多数の緑（Ｇ）のカラーフィルタを持つフォトダイオードが縦横に所定間隔で配置され、その各行，各列の各フォトダイオードに対して、１／２ピッチづつずらした位置に、青（Ｂ）と赤（Ｒ）の各カラーフィルタを持つフォトダイオードが交互に配置される構造となっている。図示する例では、「Ｒ」「Ｇ」「Ｂ」と記載された８角形の枠が夫々赤，緑，青のカラーフィルタを示し、対応するフォトダイオードは、その下側（紙面の下側）に配置される。より正確には、８角形の枠がフォトダイオードの形を表し、赤，緑，青のカラーフィルタは、８角形の枠より大きなサイズ（例えば８角形や４角形）で設けられる。

光が各カラーフィルタを通して入射することで各フォトダイオードに蓄積された信号電荷は、矢印ａに示す様に各フォトダイオードの脇に形成されている垂直転送路６０に読み出され、この信号電荷は、矢印ｂに示す様に垂直転送路６０に沿って転送されて水平転送路６１に至り、今度は矢印ｃに示す様に水平転送路６１に沿って転送され、固体撮像素子１１から読み出される。各画素（フォトダイオード）から読み出される信号電荷量は、各フォトダイオードの受光光量に応じた値となる。

図３は、図２のIII―III線断面模式図、すなわちこの例ではＲフィルタが積層されたＲ画素の縦断面模式図である。Ｇ画素，Ｂ画素も基本構成はＲ画素と同じであり、カラーフィルタ（ＣＦ）の色のみが異なる。ｎ型半導体基板４０の表面部にはＰウェル層４１が形成され、Ｐウェル層４１の表面部にｎ⁺層４２が形成され、Ｐウェル層４１とｎ⁺層４２とによりＰＮ接合でなるフォトダイオード（画素）が形成される。

各フォトダイオードの脇には垂直転送路６０が形成され、垂直転送路６０の上部には遮光膜４４が配置され、各フォトダイオードには遮光膜４４の開口を通して光が入射される。更にその上部には平坦化層４５が形成され、平坦化層４５の上にカラーフィルタ（図３の例では、Ｒフィルタ）４６が積層され、更にその上に、平坦化層４７を介してマイクロレンズ（トップレンズ）４８が配置される。尚、トップレンズ４８とｎ⁺層４２との間の所定位置に層内レンズ（マイクロレンズ）が挿入される場合もある。

この様に、固体撮像素子１１の各フォトダイオードの表面にはＲ，Ｇ，Ｂのいずれかのカラーフィルタが重ねて設けられるが、このカラーフィルタは、例えば顔料や染料を用いて製造される。

図４は、本実施形態に係るカラー固体撮像素子１１の分光感度を示すグラフである。図１３に示す従来のカラー固体撮像素子の分光感度と比較して、Ｇ，Ｂの分光感度は同じであるが、赤（Ｒ）の分光感度は、長波長側でより感度が低くなるようにしている。

即ち、本実施形態の固体撮像素子１１では、赤の波長６０５ｎｍ（Ｒの分光感度のピークの波長）における分光感度を“１００”としたときに波長６７０ｎｍにおける分光感度が“５０”以下となるようにしている。好ましくは“４０”以下が良く、更に好ましくは“３０”以下とするのがよい。固体撮像素子１１における７００ｎｍ以上の波長域での感度は高くても良く、この波長域は、赤外線カットフィルタ１３でカットする。

波長６０５ｎｍ以上の波長における感度を下げるには、Ｒフィルタに、波長６０５ｎｍ以上で吸収率が高い色材（顔料または染料）を混合することで実現する。

波長６７０ｎｍ付近に吸収を有する色材の分光特性としては、波長Ｘｎｍの光学濃度をＡＢＳ（Ｘｎｍ）と表したとき、
ＡＢＳ（６７０ｎｍ）＞ＡＢＳ（６０５ｎｍ）
を満たすものであれば良く、好ましくは、
ＡＢＳ（６７０ｎｍ）／ＡＢＳ（６０５ｎｍ）＝Ｋ
としたとき、Ｋ≧５となる色材を用いるのが良い。更に好ましくはＫ≧７となる色材を用いるのが良い。

斯かる色材をどこに設置しようとも、この色材フィルタの分光透過率としては、６０５ｎｍにおいて８０％以上、好ましくは９０％以上とするのが良い。しかし、この色材の赤外線領域（７００ｎｍ以上）での分光特性はどんなものであっても良い。この色材をＲ画素への入射光路上にのみ設ける場合は、５８０ｎｍ以下の分光特性はどんなものであっても良い。

具体的な色材の例としては、フタロシアニン系色素、チアトリカルボシアニン系色素、ペンタメチレンオキソノール系色素などが挙げられる。斯かる色材の分光透過率の一例を示すグラフを図５に示す。図５に示す特性では、波長７００ｎｍ以上の赤外線は、上記色材フィルタではカットできないが、この赤外線は、平板状の干渉型赤外線カットフィルタ１３でカットするため、上記色材フィルタでカットする必要はない。

この色材の６０５ｎｍと６７０ｎｍでの光学濃度の比は、次の表２に示す通り、１２．０である。

この色材を、図１３に示す分光感度を有する固体撮像素子のＲフィルタに混合することにより、図４に示す分光感度を有する固体撮像素子１１が得られる。図４の分光感度を有する固体撮像素子の赤（Ｒ）の分光感度の６０５ｎｍと６７０ｎｍの感度比は次の表３に示す様に０．３４であり、図１３に示す分光感度を有する従来の固体撮像素子の感度比０．７５よりも大幅に下げることができる。

このように、波長６７０ｎｍにおける感度比を下げることで、干渉型赤外線カットフィルタのカット波長が斜め入射光によってシフトしても、このシフトによって生じる赤色光のＲ画素への入射量の変動幅が抑制され、結果として、固体撮像素子１１の周辺部における赤色不足が抑制される。

色材の物理的性質，化学的性質によって、Ｒフィルタ４６に混合することができない場合もある。この様な場合には、Ｒフィルタにこの色材を混合する必要はなく、図３に示す平坦化層４５または４６あるいはマイクロレンズ４８に混合してもよい。あるいは、マイクロレンズ４８の表面にこの色材を塗布することでも、あるいは、平坦化層４６、カラーフィルタ４６、平坦化層４７、マイクロレンズ４８と積層されるとき、いずれかの間にこの色材溶液を塗布して色材の膜を形成することでもよい。

図５に透過率の特性を示す色材は、波長５００ｎｍ以下（青色の領域）の光の吸収率が高い色材であるが、４２０ｎｍ〜６０５ｎｍの範囲の各波長における光の透過率が少なくても６０％以上ある色材を用いるのであれば、この色材をＲ画素の領域に限らず、Ｇ画素やＢ画素の上にも一様に設けることも可能である。即ち、固体撮像素子１１の表面全面にこの色材を塗布してもよく、あるいは、この色材を、図１に示すレンズ１０、赤外線カットフィルタ１３、光学ローパスフィルタ１４のいずれかの表面に均一に塗布することでもよい。勿論、この色材の青領域，緑領域の透過率が高いほど望ましいことはいうまでもない。

図６は、干渉型赤外線カットフィルタの赤色分光感度が入射角によって変化する様子を示した図である。カット波長が６５５ｎｍのＩＲ６５５と、６７５ｎｍのＩＲ６７５の２つを図示している。緑色（Ｇ）と青色（Ｂ）の分光感度の変化もあるが、その変化は極めて小さいので、図示は省略している。

次の表４は、入射角が垂直のときと１３度傾いたときの固体撮像素子の出力比（Ｒ／Ｇ，Ｂ／Ｇ）を示している。５５００Ｋの太陽光にてグレーの被写体を撮影した場合で計算している。

この表４から分かるとおり、入射光が１３度傾くと、赤色が低感度となって、Ｒ／Ｇが下がる。下がる割合（出力比変化率（％））はＩＲ６５５の場合は−５％にもなるが、ＩＲ６７５だと−３．７％に改善されることが分かる。

図７は、グレーを撮影したときの画像の彩度がＲ／Ｇの変動とともに変化する様子を示した図である。グレーを撮影すると、本来、Ｒ／Ｇ＝Ｂ／Ｇ＝１であり、彩度は“０”となるが、Ｒ／Ｇが変動すると、無彩色から外れて色味が付く。

色差（無彩色の場合は彩度）の差が１．２以上だと、並べて比較した場合に大抵の人が違う色であると見る。また離して比較した場合は、色差２．５以下なら同一色と見る（財団法人 日本色彩研究所編：色彩ワンポイント ２巻）ので、グレー画面内での色ムラは彩度で１．２以下に仕上げるのが最も好ましく、中央部分と端部での彩度差としては２．５以下に収めることが好ましい。

図７によれば、好ましい形態、即ち、彩度が２．５以下となるのは、Ｒ／Ｇが約±４％以内の範囲であり、最も好ましいのは、即ち、彩度が１．２以下となるのは、Ｒ／Ｇの変動が±２％の範囲であることが判る。

従って、干渉型赤外線カットフィルタがＩＲ６５５の場合には、Ｒ／Ｇの変動が−５％であり、ＩＲ６５５を図１３の分光感度を有する従来の固体撮像素子と組み合わせると赤色不足となるが、ＩＲ６７５では−３．７％となり、好ましい範囲に改善されることが分かる。

図示はしていないが、ＩＲ６７０では、ＩＲ６７５の値とＩＲ６５５の値を比例配分した値となるため、約±４％の範囲内となり、赤外線カットフィルタとしてＩＲ６７０を用いることでも、人の目では赤色不足を感じることがなくなる。

即ち、少なくともカット波長が６７０ｎｍ以上の赤外線カットフィルタを使用することで固体撮像素子の周辺部における赤色不足を改善でき、また、色材を用いて固体撮像素子自体の赤色の分光感度を図４に示す特性とすることでも、固体撮像素子の周辺部における赤色不足を改善できる。最良の実施形態としては、両者を組み合わせて使用することで、より一層赤色不足が改善される。

図８は、図４に示す分光感度を有する固体撮像素子１１にＩＲ６７５を組み合わせて図１に示すデジタルカメラを組み立てたときの、赤（Ｒ）の分光感度を示すグラフである。実線が入射角＝垂直（０度）の場合であり、点線が１３度傾いた場合である。

このデジタルカメラでの固体撮像素子１１からの出力比を表５に示す。比較のため、図４の分光感度を有する固体撮像素子１１とＩＲ６５５とを組み合わせたときの出力比も併記している。

干渉型赤外線カットフィルタがＩＲ６７５の場合、Ｒ／Ｇは−１．９％の変動であり、最も好ましい範囲に収まっている。ＩＲ６５５の場合でも、Ｒ／Ｇの変動は−３．８％であり、長波赤を吸収する色材がない（表４参照）場合に比べて改善している。図４の分光感度を有する固体撮像素子１１とＩＲ６７５とを組み合わせた場合の感度は、次の表６に示すようになる。即ち、赤色の感度は“９５”であり、従来の図１３の分光感度を有する固体撮像素子とＩＲ６５５との組み合わせに比較して遜色がないことが分かる。

図９は、固体撮像素子１１の赤色（Ｒ）の分光感度を４通り（“Ｒ０”，“Ｒ０．５”，“Ｒ１”，“Ｒ１．５”：ここで、“Ｒ０”は、図１３に示す赤の分光感度であり、“Ｒ１”は、、図４に示す赤の分光感度である。）作成し、これらの赤の分光感度に、９通りの赤外線カットフィルタ（カット波長（λ５０）が６５０ｎｍから６９０ｎｍまで５ｎｍおきに９通り）を組み合わせた図である。この組み合わせをデジタルカメラ（レンズ込み）に組み込み、固体撮像素子からの赤出力を計算し、カット波長が５ｎｍ短波長側にシフトしたときの赤出力の変化率を求めた。

この変化率と、
λ＝カット波長−２０ｎｍ
での赤の分光感度との相関関係を示したのが図１０である。このλは、干渉型赤外線カットフィルタの透過率が下がり始める波長となっている。赤の分光感度がどれであっても、ほぼ同じ相関線上にある。この相関曲線を図１１に示す。

これは、５ｎｍシフトによる
赤の面積変動分［Red出力変化分］
＝高さ［Red感度(atλ)］×巾［5nm］ ：式１
で表されることから近似的に説明される。

この図１０，図１１の相関図から、
Red出力変化率＜４％あるいは２％
となる範囲が、Red分光感度（atλ）＜８０あるいは６０
であることが判る。

カット波長の波長シフト量は、入射角度で一義的に決まるが、小型化の進行したデジタルカメラでは高々１３度であるので、５ｎｍまで考慮すれば済む。しかし、入射角度が更に大きくなった場合の赤の出力変化率をＹとすると、図１０，図１１の縦軸（ｙ）を、
ｙ＝Ｙ×（５／△λ）
と読み替えることで、図１０，図１１の相関関係が保たれる。△λは、赤外線カットフィルタのカット波長のシフト量である。

例えば、１０ｎｍシフトするカメラの場合、図１０，図１１の縦軸の目盛りを２倍に読み替えることになる。これは、上記式１からも自明である。実際に計算した結果を図１２に示す。

１０ｎｍシフトする場合には、Red出力変動率＜４％となるのはRed分光感度（atλ）＜６０の範囲である。このように、カット波長のシフト量で好ましいRed分光感度(atλ)の範囲は変わる。

以上述べた様に、デジタルカメラで使用する干渉型赤外線カットフィルタとして、カット波長が少なくとも６７０ｎｍ以上のものを用いることで、固体撮像素子周辺部における赤色不足を改善可能となる。しかし、干渉型赤外線カットフィルタのカット波長があまり長波だと色再現性上好ましくないため、カット波長は６９０ｎｍ以下が好ましい。

また、干渉型赤外線カットフィルタとして通常用いられるカット波長が６５５ｎｍのものを使用する場合には、干渉型赤外線カットフィルタの入射光が斜めになったときのカット波長のシフトによって固体撮像素子のＲ画素から出力される信号の変化量が小さくなるように、Ｒ画素の入射光路内にカット波長のシフト範囲における赤色入射光を吸収する色材を介挿するのがよい。好適には、Ｒフィルタにこの色材を混入して、赤色の分光感度特性を、少なくとも前記シフト範囲内において低減する。

好ましくは、カット波長が６７０ｎｍ〜６９０ｎｍの干渉型赤外線カットフィルタと、上記色材を用いた固体撮像素子とを組み合わせてデジタルカメラを構成することで、より一層の改善を図ることが可能となる。

尚、上述した実施形態では、固体撮像素子としてハニカム画素配置のＣＣＤを例に説明したが、ベイヤー方式のＣＣＤでも良いことはいうまでもない。また、ＣＣＤに限らず、ＭＯＳ型のイメージセンサにも本発明を適用可能である。

更に、原色系カラーフィルタを用いた固体撮像素子で説明したが、補色系カラーフィルタを用いた固体撮像素子と干渉型赤外線カットフィルタとを組み合わせたデジタルカメラにも本発明を適用可能である。

この場合、補色系カラーフィルタは、Ｒ，Ｇ，Ｂのいずれか一色のみ吸収し２色の色信号を透過するため、補色系カラーフィルタを用いるデジタルカメラでは、図５に示す色材では不十分であり、低波長側が少なくとも青色領域、例えば波長４２０ｎｍまで透過する色材を用いる必要がある。

上述した干渉型赤外線カットフィルタは、平板形状であることを前提としたが、例えば、湾曲形状とした干渉型赤外線カットフィルタにも本発明を適用可能である。この場合、湾曲形状をより一層緩やかな湾曲にすることが可能となる。

本発明の干渉型の赤外線カットフィルタと固体撮像素子の組み合わせでは、干渉型赤外線カットフィルタへの入射光が斜めになった場合でも固体撮像素子の周辺部で赤色不足が解消されるため、デジタルカメラに適用すると有用である。

本発明の一実施形態に係るデジタルスチルカメラのブロック構成図である。 図１に示す固体撮像素子の表面模式図である。 図２のIII―III線断面模式図である。 本発明の一実施形態に係る固体撮像素子のＲ，Ｇ，Ｂの分光感度を示すグラフである。 図４に示すＲ分光感度を実現するＲフィルタに混入する色材の透過率を例示するグラフである。 干渉型赤外線カットフィルタと固体撮像素子との組み合わせのＲの分光感度の斜め入射光による角度依存性を示すグラフである。 Ｒ／Ｇと彩度の関係を示すグラフである。 図１に示すデジタルスチルカメラの固体撮像素子と干渉型赤外線カットフィルタとの組み合わせにおけるＲの分光感度の入射角依存性を示すグラフである。 ４通りのＲの分光感度と９通りの干渉型赤外線カットフィルタとの組み合わせを示すグラフである。 干渉型赤外線カットフィルタのカット波長が斜め入射光によってシフトしたときの赤色出力の変化率とＲ分光感度との相関関係を示すグラフである。 図１０の相関関係における相関曲線を示すグラフである。 カット波長が１０ｎｍシフトしたときの説明図である。 従来の固体撮像素子（ＣＣＤを例としている）のＲ，Ｇ，Ｂの分光感度を示すグラフである。 色ガラスによる赤外線カットフィルタと干渉型赤外線カットフィルタの特性を示すグラフである。 干渉型カットフィルタと固体撮像素子の組み合わせたデジタルカメラにおけるＲ，Ｇ，Ｂの分光感度を示すグラフである。

符号の説明

１０ 撮影レンズ
１１ 固体撮像素子
１３ 干渉型赤外線カットフィルタ
４１ Ｐウェル層
４２ ｎ⁺層
４４ 遮光膜
４５，４７ 平坦化層
４６ カラーフィルタ（ＣＦ）
４８ マイクロレンズ（トップレンズ）

Claims (11)

1. 干渉型赤外線カットフィルタと組み合わせて使用されるカラー固体撮像素子において、前記干渉型赤外線カットフィルタに入射光が入射角１３度で斜めに入ったときの該干渉型赤外線カットフィルタの透過率が５０％となる波長（以下、カット波長という。）の短波長側へのシフト範囲における入射光を吸収する色材を入射光路内のいずれかの層に含有させたことを特徴とするカラー固体撮像素子。
2. 有効画素のうち赤色を透過するカラーフィルタが設けられる画素への入射光路内のいずれかの層に前記色材を含有させたことを特徴とする請求項１に記載のカラー固体撮像素子。
3. 有効画素の全画素の入射光路内のいずれかの層に前記色材を含有させたことを特徴とする請求項１に記載のカラー固体撮像素子。
4. 前記入射光路内に配置されるカラーフィルタ，マイクロレンズ，前記カラーフィルタの上層且つ前記マイクロレンズの下層となる第１の平坦化層，前記カラーフィルタの下層となる第２の平担化層の少なくとも１つに前記色材が含有されることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれかに記載のカラー固体撮像素子。
5. 前記色材を含有させ赤色の分光感度のピーク感度に対して前記カット波長における感度を半分以下としたことを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれかに記載のカラー固体撮像素子。
6. 前記干渉型赤外線カットフィルタが、６７０ｎｍ〜６９０ｎｍの範囲内のカット波長を持つことを特徴とする請求項１乃至請求項５のいずれかに記載のカラー固体撮像素子。
7. 請求項１乃至請求項６のいずれかに記載のカラー固体撮像素子が使用されることを特徴とする固体撮像装置。
8. 干渉型赤外線カットフィルタと、カラー固体撮像素子とを組合わせて用いる固体撮像装置において、前記カラー固体撮像素子の赤色分光感度のピーク感度を“１００”としたときに前記干渉型赤外線カットフィルタのカット波長よりも２０ｎｍ短波の波長が赤色ピーク感度波長より長波であり且つ前記２０ｎｍ短波の波長での赤色分光感度が“８０”以下となるように入射光路内に赤色吸収色材を設けたことを特徴とする固体撮像装置。
9. 前記カラー固体撮像素子と前記干渉型赤外線カットフィルタとが一体成形されたことを特徴とする請求項７又は請求項８に記載の固体撮像装置。
10. 撮影レンズと、請求項７乃至請求項９のいずれかに記載の固体撮像装置と、該固体撮像装置から出力される撮像画像データを処理して記憶メディアに記録する制御手段とを備えることを特徴とするデジタルカメラ。
11. 撮影レンズと、該撮影レンズを通して入射してくる光の中の赤外線をカットする干渉型赤外線カットフィルタと、該干渉型赤外線カットフィルタを通して入射してくる光学像を電気信号に変換するカラー固体撮像素子と、該カラー固体撮像素子の出力信号を処理し画像データを記憶媒体に格納する制御手段とを備えるデジタルカメラにおいて、前記干渉型赤外線カットフィルタに入射光が入射角１３度で斜めに入ったときの該干渉型赤外線カットフィルタのカット波長（透過率が５０％となる波長）の短波長側へのシフト範囲における入射光を吸収する色材を含有する膜を前記撮影レンズ、光学ローパスフィルタまたは前記干渉型赤外線カットフィルタの表面に形成したことを特徴とするデジタルカメラ。

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