JP4676371B2 - 固体撮像装置、撮像方法および撮像システム - Google Patents

Description

本発明は、固体撮像装置、ならびにそれを用いた撮像方法および撮像システムに関する。

従来の固体撮像装置としては、例えば特許文献１に記載されたものがある。同文献に記載の固体撮像装置は、二次元的に配列された多数の受光部を備えており、所定の接触面に接触した指の指紋を撮像する。なお、本発明に関連する先行技術文献としては、特許文献１の他に、特許文献２が挙げられる。
特開２０００−２１７８０３号公報 特開２００４−１３４５１４号公報

しかしながら、特許文献１の固体撮像装置においては、被撮像体の表面の要素（例えば指の指紋）の撮像はできても、被撮像体の内部の要素（例えば指の静脈）を撮像することは困難である。

本発明による固体撮像装置は、被撮像体からの光が入射する光入射面を有する固体撮像装置であって、半導体基板と、上記半導体基板中に設けられた受光部と、上記光入射面上の一部に設けられ、当該光入射面に上記被撮像体が接触するのを防ぐスペーサと、を備え、上記受光部は、上記スペーサが設けられた部分の下部に位置する第１の受光部と、上記スペーサが設けられていない部分の下部に位置する第２の受光部とを含み、上記光入射面に入射した上記被撮像体からの上記光を当該半導体基板の内部で光電変換し、上記スペーサを透過して上記光入射面に入射した上記光から上記光電変換により発生した電荷を上記第１の受光部で受けることにより第１の画像を生成し、上記スペーサを透過せずに上記光入射面に入射した上記光から上記光電変換により発生した電荷を上記第２の受光部で受けることにより第２の画像を生成することを特徴とする。

この固体撮像装置においては、スペーサが設けられている。これにより、スペーサが設けられた部分からの光、すなわちスペーサを透過した光により得られる画像（第１の画像）は、主に、当該スペーサに接触した被撮像体の表面要素の情報を強く含むものとなる。一方、スペーサが設けられていない部分からの光、すなわちスペーサを透過しない光により得られる画像（第２の画像）は、被撮像体の表面要素に加えて内部要素の情報をも含むものとなる。したがって、それらの第１の画像と第２の画像との差分をとることにより、被撮像体の内部要素の画像を鮮明に得ることができる。

本発明による撮像方法は、被撮像体からの光が入射する光入射面と、半導体基板中に設けられた受光部と、上記光入射面上の一部に設けられ、当該光入射面に上記被撮像体が接触するのを防ぐスペーサと、を備え、上記スペーサは、上記被撮像体からの上記光を透過させ、上記光入射面に入射した上記被撮像体からの上記光を当該半導体基板の内部で光電変換し、当該光電変換により発生した電荷を上記受光部で受けて上記被撮像体を撮像する固体撮像装置を用いて、上記スペーサを透過して上記光入射面に入射した上記光による上記被撮像体の画像である第１の画像と、上記スペーサを透過せずに上記光入射面に入射した上記光による上記被撮像体の画像である第２の画像とを取得するステップと、上記第１の画像と上記第２の画像との差分画像を取得するステップと、を含むことを特徴とする。

この撮像方法においては、本発明による固体撮像装置を用いて、上述の第１および第２の画像が取得される。さらに、それらの画像の差分画像が取得される。これにより、被撮像体の内部要素の画像を鮮明に得ることができる。

本発明による撮像システムは、被撮像体からの光が入射する光入射面と、半導体基板中に設けられた受光部と、上記光入射面上の一部に設けられ、当該光入射面に上記被撮像体が接触するのを防ぐスペーサと、を備え、上記スペーサは、上記被撮像体からの上記光を透過させ、上記光入射面に入射した上記被撮像体からの上記光を当該半導体基板の内部で光電変換し、当該光電変換により発生した電荷を上記受光部で受けて上記被撮像体を撮像する固体撮像装置と、上記スペーサを透過して上記光入射面に入射した上記光による上記被撮像体の画像である第１の画像と、上記スペーサを透過せずに上記光入射面に入射した上記光による上記被撮像体の画像である第２の画像との差分画像を求める差分計算手段と、を備えることを特徴とする。

この撮像システムにおいては、本発明による固体撮像装置と、差分計算手段とが設けられている。このため、第１および第２の画像を固体撮像装置により取得し、それらの画像の差分画像を差分計算手段により取得することができる。これにより、被撮像体の内部要素の画像を鮮明に得ることができる。

本発明によれば、被撮像体の内部要素の画像を鮮明に得ることが可能な固体撮像装置、撮像方法および撮像システムが実現される。

以下、図面を参照しつつ、本発明による固体撮像装置、撮像方法および撮像システムの好適な実施形態について詳細に説明する。なお、図面の説明においては、同一要素には同一符号を付し、重複する説明を省略する。

図１は、本発明による撮像システムの一実施形態を示すブロック図である。撮像システム１は、固体撮像装置１０、および差分計算部２０を備えている。差分計算部２０は、第１の画像と第２の画像との差分画像を求める差分計算手段である。第１および第２の画像については後で説明する。差分計算部２０は、例えばコンピュータ端末である。

図２は、本発明による固体撮像装置の一実施形態である固体撮像装置１０を示す断面図である。また、図３は、固体撮像装置１０を示す平面図である。図３のII−II線に沿った断面が図２に対応している。

固体撮像装置１０は、半導体基板１２、受光部１４、およびスペーサ１６を備えている。本実施形態において半導体基板１２は、Ｐ型シリコン基板である。固体撮像装置１０は、光入射面Ｓ１（本実施形態では、後述する配線層３０の表面に相当）に入射した被撮像体からの光を、半導体基板１２中に形成された受光部１４内で光電変換し、その光電変換により発生した電荷の量の大小によって上記被撮像体を撮像する。

半導体基板１２中には、複数の受光部１４が形成されている。具体的には、受光部１４は、半導体基板１２の表面（配線層３０と同じ側の面）側の表層中に設けられている。本実施形態において受光部１４は、Ｎ型不純物拡散層である。受光部１４は、隣接する半導体基板１２と共にフォトダイオードを構成している。

光入射面Ｓ１上の一部には、スペーサ１６が設けられている。このスペーサ１６は、光入射面Ｓ１に被撮像体が接触するのを防ぐ。スペーサ１６としては、樹脂膜または永久レジスト膜等を用いることができる。ただし、スペーサ１６は、被撮像体からの光を透過させる材料によって構成される。スペーサ１６の上記光に対する透過率は、５０％以上であることが好ましい。

また、スペーサ１６の厚みｈ１は、好ましくは１０μｍ以上２５０μｍ以下、特に好ましくは１００μｍ程度である。スペーサ１６間の間隔ｄ１を１とすると、スペーサ１６の厚みｈ１は、０．０２以上０．５以下であることが好ましい。

本実施形態においてスペーサ１６は、図３からわかるように、平面視で規則的に、具体的には斜格子状に配置されている。これに伴い、スペーサ１６が設けられた部分およびスペーサ１６が設けられていない部分は、それぞれ光入射面Ｓ１上の複数箇所に分かれて存在している。

上述の受光部１４は、スペーサ１６が設けられた部分の下部に位置する受光部１４ａ（第１の受光部）と、スペーサ１６が設けられていない部分の下部に位置する受光部１４ｂ（第２の受光部）とを含んでいる。これらの受光部１４ａ，１４ｂは、複数ずつ設けられている。より詳細には、スペーサ１６が設けられた部分の各箇所（図中の白いマス目に相当）に複数の受光部１４ａが設けられるとともに、スペーサ１６が設けられていない部分の各箇所（図中の斜線が付されたマス目に相当）に複数の受光部１４ｂが設けられている。

半導体基板１２の表面上には、配線層（絶縁層中に配線が設けられている層）３０が設けられている。この配線層３０中には、図示しない配線が形成されている。

図４を参照しつつ、本発明による撮像方法の一実施形態として、撮像システム１の動作の一例を説明する。同図においては、固体撮像装置１０の表面（スペーサ１６の表面）に、被撮像体である指９０を接触させている。ただし、指９０がスペーサ１６には触れる一方で、光入射面Ｓ１のうちスペーサ１６が設けられていない部分には触れないようにする。蛍光灯やＬＥＤ等の光源からの光を指９０に入射させると、その透過光が光入射面Ｓ１に入射する。この光は、近赤外光または赤外光であることが好ましい。ただし、この光は、可視光であってもよい。

このとき、スペーサ１６が設けられていない部分では、図５（ａ）に示すように、指９０と光入射面Ｓ１との間に空気層８２が存在する。一方、スペーサ１６が設けられた部分では、図５（ｂ）に示すように、指９０とスペーサ１６とが互いに接する。これにより、前者の部分では、図６中の左の図に示すように、指紋９２および静脈９４の画像（第２の画像）が得られる。すなわち、スペーサ１６がない部分では、指９０と固体撮像装置１０との間に空気層８２が入るので、指紋像と静脈像との信号差が少ない画像が得られる。また、後者の部分では、図６中の真ん中の図に示すように、指紋９２の画像（第１の画像）が得られる。すなわち、第１の画像は、スペーサ１６を透過して光入射面Ｓ１に入射した光による被撮像体の画像であり、第２の画像は、スペーサ１６を透過せずに光入射面Ｓ１に入射した光による被撮像体の画像である。

このように、固体撮像装置１０を用いて第１および第２の画像が取得される。その後、それらの画像の差分画像が差分計算部２０により求められる。本例において、この差分画像は、図６中の右の図に示すように、静脈９４の画像に相当する。

本実施形態の効果を説明する。本実施形態においては、固体撮像装置１０にスペーサ１６が設けられている。これにより、スペーサ１６が設けられた部分からの光、すなわちスペーサ１６を透過した光により得られる画像（第１の画像）は、主に、スペーサ１６に接触した被撮像体の表面要素の情報を強く含むものとなる。一方、スペーサ１６が設けられていない部分からの光、すなわちスペーサ１６を透過しない光により得られる画像（第２の画像）は、被撮像体の表面要素に加えて内部要素の情報をも含むものとなる。したがって、それらの第１の画像と第２の画像との差分をとることにより、被撮像体の内部要素の画像を鮮明に得ることができる。上述の例のように被撮像体が指の場合には、内部要素として指の静脈の画像を得ることができるため、撮像システム１により静脈認証を行うことができる。

受光部１４は、スペーサ１６が設けられた部分の下部に位置する受光部１４ａと、スペーサ１６が設けられていない部分の下部に位置する受光部１４ｂとを含んでいる。したがって、スペーサ１６を透過した被撮像体からの光を受光部１４ａで受けるとともに、スペーサ１６を透過しない被撮像体からの光を受光部１４ｂで受けることにより、第１および第２の画像を高感度で得ることができる。

スペーサ１６が設けられた部分の各箇所に複数の受光部１４ａが設けられるとともに、スペーサ１６が設けられていない部分の各箇所に複数の受光部１４ｂが設けられている。これにより、第１および第２の画像を高解像力で得ることができる。

スペーサ１６が平面視で斜格子状に配置されている。これにより、被撮像体を静止させた状態でも、好適に第１および第２の画像を得ることができる。

スペーサ１６の厚みが１０μｍ以上である場合、被撮像体となる指が光入射面Ｓ１に一層接触しにくくなる。上記間隔ｄ１を１としたときにスペーサ１６の厚みが０．０２以上である場合も同様である。また、スペーサ１６の厚みが２５０μｍ以下である場合、スペーサ１６を容易に形成することができるとともに、像のボケを防ぐことができる。上記間隔ｄ１を１としたときにスペーサ１６の厚みが０．５以下である場合も同様である。

ところで、特許文献２には、半導体基板の裏面上に遮光膜が設けられた、裏面入射型の固体撮像装置が記載されている。この固体撮像装置においては、遮光膜に形成された開口から入射した光が検出される。この遮光膜は、被撮像体からの光を遮蔽するものであり、当該光を透過させるスペーサ１６とは異なる。

本発明による固体撮像装置、撮像方法および撮像システムは、上記実施形態に限定されるものではなく、様々な変形が可能である。例えば上記実施形態においてはスペーサ１６が斜格子状に配置された例を示したが、スペーサ１６は、図７に示すように、スリット状に配置されていてもよい。この場合、被撮像体を光入射面の面内方向に移動させながら、撮像を行うことが好ましい。図８は、被撮像体である指９０をスリットの長手方向に垂直な方向（図中上下方向）に移動させながら撮像を行う様子を示している。被撮像体を移動させながら撮像することにより、撮像領域（受光部１４ａ，１４ｂが設けられた領域）が小さくても、被撮像体の広い範囲を撮像することができる。このことは、撮像領域の小面積化、ひいては固体撮像装置全体の小型化に寄与する。なお、図２および図３等に示した固体撮像装置１０において、被撮像体を移動させながら撮像を行ってもよい。

また、Ｐ型の半導体基板およびＮ型の受光部を例示したが、Ｎ型の半導体基板およびＰ型の受光部であってもよい。また、表面入射型の固体撮像装置を例示したが、図９に示すように、裏面入射型の固体撮像装置であってもよい。同図においては、半導体基板１２の裏面が光入射面Ｓ１となっている。さらに、本発明は、ＣＣＤ（Charge Coupled Device）型の固体撮像装置に適用してもよい。

本発明による撮像システムの一実施形態を示すブロック図である。 本発明による固体撮像装置の一実施形態を示す断面図である。 図２の固体撮像装置を示す平面図である。 本発明による撮像方法の一実施形態を説明するための平面図である。 （ａ）および（ｂ）は、撮像時の、光入射面付近の様子を示す断面図である。 第１および第２の画像、ならびにそれらの差分画像を説明するための図である。 実施形態の一変形例に係る固体撮像装置を示す平面図である。 図７の固体撮像装置を用いた撮像方法の一例を説明するための平面図である。 実施形態の他の変形例に係る固体撮像装置を示す断面図である。

符号の説明

１ 撮像システム
１０ 固体撮像装置
１２ 半導体基板
１４ 受光部
１４ａ 受光部
１４ｂ 受光部
１６ スペーサ
２０ 差分計算部
３０ 配線層
８２ 空気層
９０ 指
９２ 指紋
９４ 静脈
ｄ１ スペーサ間の間隔
ｈ１ スペーサの厚み
Ｓ１ 光入射面

Claims (14)

1. 被撮像体からの光が入射する光入射面を有する固体撮像装置であって、
   半導体基板と、
   前記半導体基板中に設けられた受光部と、
   前記光入射面上の一部に設けられ、当該光入射面に前記被撮像体が接触するのを防ぐスペーサと、を備え、
   前記受光部は、前記スペーサが設けられた部分の下部に位置する第１の受光部と、前記スペーサが設けられていない部分の下部に位置する第２の受光部とを含み、
   前記光入射面に入射した前記被撮像体からの前記光を当該半導体基板の内部で光電変換し、
   前記スペーサを透過して前記光入射面に入射した前記光から前記光電変換により発生した電荷を前記第１の受光部で受けることにより第１の画像を生成し、前記スペーサを透過せずに前記光入射面に入射した前記光から前記光電変換により発生した電荷を前記第２の受光部で受けることにより第２の画像を生成することを特徴とする固体撮像装置。
2. 請求項１に記載の固体撮像装置において、
   前記第１および第２の受光部は、複数ずつ設けられている固体撮像装置。
3. 請求項１または２に記載の固体撮像装置において、
   前記スペーサが設けられた前記部分および前記スペーサが設けられていない前記部分は、それぞれ前記光入射面上の複数箇所に分かれて存在し、
   前記スペーサが設けられた前記部分の各箇所には、複数の前記第１の受光部が設けられ、
   前記スペーサが設けられていない前記部分の各箇所には、複数の前記第２の受光部が設けられている固体撮像装置。
4. 請求項１乃至３いずれか１項に記載の固体撮像装置において、
   前記スペーサは、平面視で規則的に配置されている固体撮像装置。
5. 請求項４に記載の固体撮像装置において、
   前記スペーサは、平面視で斜格子状に配置されている固体撮像装置。
6. 請求項４に記載の固体撮像装置において、
   前記スペーサは、平面視でスリット状に配置されている固体撮像装置。
7. 請求項１乃至６いずれか１項に記載の固体撮像装置において、
   前記被撮像体は指であり、
   前記スペーサ間の間隔は、前記指の幅よりも小さい固体撮像装置。
8. 請求項１乃至７いずれか１項に記載の固体撮像装置において、
   前記スペーサ間の間隔を１としたとき、
   前記スペーサの厚みは、０．０２以上０．５以下である固体撮像装置。
9. 請求項１乃至８いずれか１項に記載の固体撮像装置において、
   前記スペーサの厚みは、１０μｍ以上２５０μｍ以下である固体撮像装置。
10. 被撮像体からの光が入射する光入射面と、
    半導体基板中に設けられた受光部と、
    前記光入射面上の一部に設けられ、当該光入射面に前記被撮像体が接触するのを防ぐスペーサと、を備え、
    前記スペーサは、前記被撮像体からの前記光を透過させ、
    前記光入射面に入射した前記被撮像体からの前記光を当該半導体基板の内部で光電変換し、当該光電変換により発生した電荷を前記受光部で受けて前記被撮像体を撮像する固体撮像装置を用いて、前記スペーサを透過して前記光入射面に入射した前記光による前記被撮像体の画像である第１の画像と、前記スペーサを透過せずに前記光入射面に入射した前記光による前記被撮像体の画像である第２の画像とを取得するステップと、
    前記第１の画像と前記第２の画像との差分画像を取得するステップと、
    を含むことを特徴とする撮像方法。
11. 請求項１０に記載の撮像方法において、
    前記第１および第２の画像を取得するステップにおいては、前記被撮像体が前記スペーサに触れ且つ前記光入射面のうち前記スペーサが設けられていない部分に触れない状態で、前記被撮像体の撮像を行う撮像方法。
12. 請求項１０または１１に記載の撮像方法において、
    前記第１および第２の画像を取得するステップにおいては、前記被撮像体を前記光入射面の面内方向に移動させながら撮像を行う撮像方法。
13. 請求項１０乃至１２いずれか１項に記載の撮像方法において、
    前記被撮像体は、指であり、
    前記差分画像は、前記指の静脈の画像に相当する撮像方法。
14. 被撮像体からの光が入射する光入射面と、
    半導体基板中に設けられた受光部と、
    前記光入射面上の一部に設けられ、当該光入射面に前記被撮像体が接触するのを防ぐスペーサと、を備え、
    前記スペーサは、前記被撮像体からの前記光を透過させ、
    前記光入射面に入射した前記被撮像体からの前記光を当該半導体基板の内部で光電変換し、当該光電変換により発生した電荷を前記受光部で受けて前記被撮像体を撮像する固体撮像装置と、
    前記スペーサを透過して前記光入射面に入射した前記光による前記被撮像体の画像である第１の画像と、前記スペーサを透過せずに前記光入射面に入射した前記光による前記被撮像体の画像である第２の画像との差分画像を求める差分計算手段と、
    を備えることを特徴とする撮像システム。

Images