JP5015496B2 - 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２００４−２３４０４０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、第１面に入射した光を光電変換することにより被撮像体を撮像する固体撮像素子と、上記固体撮像素子の上記第１面上に設けられ、第１波長帯の光を選択的に透過させる第１のフィルタと、上記固体撮像素子の上記第１面上に設けられ、上記第１波長帯よりも長波長側にある第２波長帯の光を選択的に透過させる第２のフィルタと、を備えることを特徴とする。

この固体撮像装置においては、相異なる波長帯の光を選択的に透過させる第１および第２のフィルタが設けられている。これにより、比較的短い波長の光、すなわち第１のフィルタを透過した光により得られる画像（第１画像）は、被撮像体の表面要素の情報を強く含むものとなる。一方、比較的長い波長の光、すなわち第２のフィルタを透過した光により得られる画像（第２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画像と第２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得ることができる。

本発明による撮像方法は、上記固体撮像装置を用いて、上記第１のフィルタを透過して上記第１面に入射した上記第１波長帯の光による上記被撮像体の画像である第１の画像と、上記第２のフィルタを透過して上記第１面に入射した上記第２波長帯の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、上記固体撮像装置と、上記第１のフィルタを透過して上記第１面に入射した上記第１波長帯の光による上記被撮像体の画像である第１の画像と、上記第２のフィルタを透過して上記第１面に入射した上記第２波長帯の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、固体撮像素子４０、カラーフィルタ１６ａ（第１のフィルタ）、およびカラーフィルタ１６ｂ（第２のフィルタ）を備えている。固体撮像素子４０は、半導体基板１２と、その上に形成された配線層３０とを有している。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。配線層３０中には、図示しない配線が形成されている。固体撮像素子４０は、その表面Ｓ１（第１面）に入射した光を光電変換することにより被撮像体を撮像する。ここで、固体撮像素子４０の表面Ｓ１は、配線層３０の表面に等しい。

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。

固体撮像素子４０の表面Ｓ１上には、カラーフィルタ１６ａ，１６ｂが設けられている。カラーフィルタ１６ａは、第１波長帯の光を選択的に透過させるフィルタである。一方、カラーフィルタ１６ｂは、第１波長帯よりも長波長側にある第２波長帯の光を選択的に透過させるフィルタである。本実施形態において、第１波長帯の光および第２波長帯の光は、それぞれ青色光および赤色光である。

本実施形態においてカラーフィルタ１６ａ，１６ｂ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、カラーフィルタ１６ａ，１６ｂは、それぞれ表面Ｓ１上の複数箇所に分かれて設けられている。

上述の受光部１４は、カラーフィルタ１６ａの下部に位置する受光部１４ａ（第１の受光部）と、カラーフィルタ１６ｂ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。カラーフィルタ１６ａが設けられた各箇所には、１または２以上の受光部１４ａが設けられている。同様に、カラーフィルタ１６ｂが設けられた各箇所には、１または２以上の受光部１４ｂが設けられている。

固体撮像装置１０は、さらに、光源４２ａ（第１の光源）および光源４２ｂ（第２の光源）を備えている。これらの光源４２ａ，４２ｂは、固体撮像素子４０に近接して配置されている。光源４２ａは、上記第１波長帯の光を発生させる光源である。一方、光源４２ｂは、上記第２波長帯の光を発生させる光源である。すなわち、本実施形態において、光源４２ａおよび光源４２ｂは、それぞれ青色光源および赤色光源である。ただし、光源４２ａ，４２は、共に白色光源であってもよい。

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（カラーフィルタ１６ａ，１６ｂの表面）に、被撮像体である指９０を接触させている。光源４２ａ，４２ｂからの光を指９０に入射させると、その透過光が固体撮像素子４０の表面Ｓ１に入射する。

すると、カラーフィルタ１６ｂが設けられた部分では、波長の長い赤色光が透過するので、指紋像と静脈像との信号差が少ない画像が得られる。したがって、図５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）９６が得られる。この画像は、カラーフィルタ１６ｂを透過して表面Ｓ１に入射した赤色光による被撮像体の画像である。一方、カラーフィルタ１６ａが設けられた部分では、波長の短い青色光が透過するので、指紋像と静脈像との信号差が強調された画像が得られる。したがって、図５中の真ん中の図に示すように、指紋９２の画像（第１の画像）９８が得られる。この画像は、カラーフィルタ１６ａを透過して表面Ｓ１に入射した青色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１００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１００は、図５中の右の図に示すように、静脈９４の画像に相当する。なお、本例のように被撮像体が指である場合、カラーフィルタ１６ａ間の間隔およびカラーフィルタ１６ｂ間の間隔（共に図２中の間隔ｄ１）は、何れも指の指紋の凹凸の間隔よりも小さいことが必要である。

本実施形態の効果を説明する。本実施形態においては、相異なる波長帯の光を選択的に透過させるカラーフィルタ１６ａ，１６ｂが設けられている。これにより、比較的短い波長の光、すなわちカラーフィルタ１６ａを透過した光により得られる画像（第１画像）９８は、被撮像体の表面要素の情報を強く含むものとなる。一方、比較的長い波長の光、すなわちカラーフィルタ１６ｂを透過した光により得られる画像（第２画像）９６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画像９８と第２画像９６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。しかも、本実施形態によれば、指紋と静脈とを同時に撮像することができる。

受光部１４は、カラーフィルタ１６ａが設けられた部分の下部に位置する受光部１４ａと、カラーフィルタ１６ｂが設けられた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、カラーフィルタ１６ａ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、カラーフィルタ１６ｂを透過した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。

カラーフィルタ１６ａが設けられた各箇所に複数の受光部１４ａを設けるとともに、カラーフィルタ１６ｂが設けられた各箇所に複数の受光部１４ｂを設けた場合、第１および第２の画像を高解像力で得ることができる。

カラーフィルタ１６ａ，１６ｂ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。

ところで、特許文献２には、被撮像体である指とイメージセンサとの間に赤外線透過フィルタが設けられた個人認証装置が記載されている。しかし、相異なる波長帯の光を透過させる複数のフィルタは設けられていない。それゆえ、同文献の個人認証装置では、指紋と静脈とをそれぞれ最適に撮像することができない。また、ノイズ（静脈撮像時の指紋像）を除去することもできない。これに対して、上記実施形態においては、図５で説明したように、指紋および静脈の画像と指紋の画像との差分をとることにより、静脈像を取得している。このため、両画像の差分をとる際に、自ずと上記ノイズを除去することができる。

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、カラーフィルタ１６ａ，１６ｂが斜格子状に配置された例を示した。しかし、カラーフィルタ１６ａ，１６ｂは、図６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、被撮像体を上記表面Ｓ１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７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、上記実施形態においては、第１波長帯の光および第２波長帯の光としてそれぞれ青色光および赤色光を例示した。しかし、これらの光の組合せは、これに限定されるわけではなく、青色光と赤付近の波長を有する光、緑色光と赤色光、緑色光と近赤外光などの組み合せであってもよい。

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８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、固体撮像素子４０の裏面Ｓ２が第１面となっている。すなわち、同図の固体撮像素子４０は、裏面Ｓ２に入射した光を光電変換することにより被撮像体を撮像する。ここで、固体撮像素子４０の裏面Ｓ２は、半導体基板１２の裏面に等しい。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。 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６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
１６ａ カラーフィルタ
１６ｂ カラーフィルタ
２０ 差分計算部
３０ 配線層
４０ 固体撮像素子
４２ａ 光源
４２ｂ 光源
９０ 指
９２ 指紋
９４ 静脈
９６ 第２の画像
９８ 第１の画像
１００ 差分画像
ｄ１ カラーフィルタ間の間隔
Ｓ１ 表面
Ｓ２ 裏面

Claims (12)

1. 第１面に入射した光を光電変換することにより被撮像体を撮像する固体撮像素子と、
   前記固体撮像素子の前記第１面上に設けられ、第１波長帯の光を選択的に透過させる複数の第１のフィルタと、
   前記固体撮像素子の前記第１面上に、前記複数の第１のフィルタと重ならない位置に設けられ、前記第１波長帯よりも長波長側にある第２波長帯の光を選択的に透過させる複数の第２のフィルタと、
   前記第１波長帯の光を発生させる第１の光源と、
   前記第２波長帯の光を発生させる第２の光源と、
   を備え、
   前記固体撮像素子受光部を有し、
   前記受光部は、前記複数の第１のフィルタのそれぞれの下部に位置する複数の第１の受光部と、前記複数の第２のフィルタそれぞれの下部に位置する複数の第２の受光部と、
   を有し、
   被写体が指であり、
   前記第１の光源及び前記第２の光源を同時に動作させた状態で、前記複数の第１の受光部が生成した信号に基づいて指紋像からなる第１の画像を生成するとともに、前記複数の第２の受光部が生成した信号に基づいて指紋像及び静脈像からなる第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波長帯の光は青色光であり、前記第２波長帯の光は赤色光である固体撮像装置。
3. 請求項１又は２に記載の固体撮像装置において、
   前記第１および第２の光源は、前記固体撮像素子に近接して配置されている固体撮像装置。
4. 請求項１〜３のいずれか一項に記載の固体撮像装置において、
   前記第１および第２のフィルタは、それぞれ前記第１面上の複数箇所に分かれて設けられており、
   前記第１のフィルタが設けられた各箇所には、複数の前記第１の受光部が設けられており、
   前記第２のフィルタが設けられた各箇所には、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。
5. 請求項１〜４のいずれか一項に記載の固体撮像装置において、
   前記第１および第２のフィルタは、平面視で規則的に配置されている固体撮像装置。
6. 請求項５に記載の固体撮像装置において、
   前記第１および第２のフィルタは、平面視で斜格子状に配置されている固体撮像装置。
7. 請求項５に記載の固体撮像装置において、
   前記第１および第２のフィルタは、平面視でスリット状に配置されている固体撮像装置。
8. 請求項１〜７のいずれか一項に記載の固体撮像装置において、
   前記第１のフィルタ間の間隔および前記第２のフィルタ間の間隔は、何れも前記指の指紋の凹凸の間隔よりも小さい固体撮像装置。
9. 請求項１〜８のいずれか一項に記載の固体撮像装置を用いて、前記第１のフィルタを透過して前記第１面に入射した前記第１波長帯の光による前記指の画像である前記第１の画像と、前記第２のフィルタを透過して前記第１面に入射した前記第２波長帯の光による前記指の画像である前記第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。
10. 請求項９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、前記指を前記第１面の面内方向に移動させながら撮像を行う撮像方法。
11. 請求項９または１０に記載の撮像方法において、
    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。
12. 請求項１〜８のいずれか一項に記載の固体撮像装置と、
    前記第１の画像と前記第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。

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