JP5032954B2

JP5032954B2 - Color imaging device

Info

Publication number: JP5032954B2
Application number: JP2007305426A
Authority: JP
Inventors: 聡相原; 俊久渡部
Original assignee: Japan Broadcasting Corp
Current assignee: Japan Broadcasting Corp
Priority date: 2007-11-27
Filing date: 2007-11-27
Publication date: 2012-09-26
Anticipated expiration: 2027-11-27
Also published as: JP2009130239A

Description

本発明は、高感度特性を有するカラー撮像装置に関するものである。 The present invention relates to a color imaging device having high sensitivity characteristics.

現在のカラー撮像素子は、電荷結合素子（Charge Coupled Device：CCD）や相補型金属酸化物半導体(Complementary Metal−Oxide Semiconductor：CMOS)などの固体撮像素子を用い、受光面の画素毎に複数種類の色フィルタを設けた構造が主流となっている。よく知られた色フィルタの配列としてベイヤー配列が既知である。このフィルタ配列は、光の３原色である赤（Ｒ）、緑（Ｇ）、青（Ｂ）の光を透過するフィルタを画素毎に図１のように配列する。このベイヤー配列は、輝度信号の主成分であるＧの光が多く含まれるように配置することで解像度の低下を防ぎ、残りの位置にＲとＢのフィルタを配置したものである。他にも種々の配列があり、光の利用効率を高めることを目的とした、補色フィルタを用いる方式なども、特に動画撮影用に用いられることがある（例えば、特許文献１参照）。しかし、ＣＣＤ等の固体撮像素子は素子自体の開口率（受光面の面積が素子全体の面積に占める割合）が低く、素子に入射した光の全てを電気信号に変換して取り出すことができないため、低照度時の感度が低くなってしまう。特に近年では画素ピッチの微細化が進み、１画素のサイズが２マイクロメートル角以下の素子も出現するようになった。画素サイズが小さくなると、１画素に入射する光の強度が減少するため、感度低下は大きな問題となっている。 Current color image sensors use solid-state image sensors such as charge-coupled devices (CCDs) and complementary metal-oxide semiconductors (CMOS). A structure provided with a color filter has become the mainstream. A Bayer array is known as a well-known color filter array. In this filter arrangement, filters that transmit light of three primary colors, red (R), green (G), and blue (B), are arranged for each pixel as shown in FIG. In this Bayer arrangement, a reduction in resolution is prevented by arranging so as to include a large amount of G light, which is the main component of the luminance signal, and R and B filters are arranged in the remaining positions. There are various other arrangements, and a method using a complementary color filter for the purpose of increasing the light use efficiency may be used particularly for moving image shooting (see, for example, Patent Document 1). However, a solid-state imaging device such as a CCD has a low aperture ratio of the device itself (the ratio of the area of the light receiving surface to the total area of the device), so that all of the light incident on the device cannot be converted into an electrical signal and extracted. Sensitivity at low illuminance will be low. In particular, in recent years, the pixel pitch has been miniaturized, and an element having a pixel size of 2 micrometers square or less has also appeared. When the pixel size is reduced, the intensity of light incident on one pixel is reduced, so that sensitivity reduction is a serious problem.

固体撮像素子の有効開口率を高めるために、マイクロレンズと称される集光レンズを画素毎に配置することが知られている（例えば、特許文献２参照）。別の方法として、図２に示すように、前述したベイヤー配列の各色フィルタのうち、一部のフィルタを全色透過（Ｗ）として該当する画素から輝度情報を獲得することで、高感度化を図る方法が提案されている（例えば、特許文献３参照）。
特開平２−２８０４９６号公報特開昭６１−６７００３号公報特開２００１−６９５１９号公報 In order to increase the effective aperture ratio of a solid-state imaging device, it is known to arrange a condensing lens called a microlens for each pixel (see, for example, Patent Document 2). As another method, as shown in FIG. 2, among the color filters of the Bayer arrangement described above, a part of the filters is set as all color transmission (W), and luminance information is acquired from the corresponding pixels, thereby increasing the sensitivity. A method has been proposed (see, for example, Patent Document 3).
Japanese Patent Laid-Open No. 2-28096 JP 61-67003 A JP 2001-69519 A

上述したマイクロレンズを用いて有効開口率を高める方法では、たとえマイクロレンズを用いても素子に入射した光の全てを集光することは困難であり、しかも、素子の周辺部では、マイクロレンズの集光点と各画素との間に位置ずれが生ずる等の問題もある。
また、ベイヤー方式において、Ｇのフィルタの半数をＷのフィルタで置換する方法は、高感度化に関して一定の効果が得られる。しかし、輝度に寄与する画素数（Ｗの画素数）が素子全体の１／４であり、色情報に寄与する画素数に関しては、Ｒ、Ｇ及びＢの各成分について等しく素子全体の１／４ずつとなる。この構成では、色情報についてはベイヤー方式（Ｇが素子全体の１／２、ＲとＢが１／４ずつ）よりも劣り、輝度情報はベイヤー方式に勝るものの、十分とは言い難いのが現状である。 In the method of increasing the effective aperture ratio using the above-described microlens, it is difficult to collect all of the light incident on the element even if the microlens is used. There is also a problem that a positional deviation occurs between the focal point and each pixel.
In the Bayer method, the method of replacing half of the G filters with the W filter can achieve a certain effect with regard to high sensitivity. However, the number of pixels contributing to luminance (the number of pixels of W) is ¼ of the entire element, and the number of pixels contributing to color information is equal for each of the R, G, and B components and ¼ of the entire element. It becomes one by one. In this configuration, the color information is inferior to the Bayer method (G is 1/2 of the entire device, and R and B are 1/4 each), and the luminance information is superior to the Bayer method, but is not sufficient. It is.

本発明の目的は、上述した欠点を解消し、高精細で高感度なカラー撮像装置を実現することにある。
本発明の別の目的は、撮像装置が微細化して画素サイズが小さくなっても、良好な感度特性を有するカラー撮像装置を実現することにある。 An object of the present invention is to eliminate the above-described drawbacks and to realize a high-definition and high-sensitivity color imaging apparatus.
Another object of the present invention is to realize a color imaging device having good sensitivity characteristics even when the imaging device is miniaturized and the pixel size is reduced.

本発明によるカラー撮像装置は、Ｒ、Ｇ、Ｂの各波長域に光電変換特性のピーク感度をそれぞれ有する光透過性の光電変換素子が２次元アレイ状に配列されている第１の光電変換素子アレイと、
可視光の波長域においてほぼ均一な光電変換特性を有する光電変換素子が２次元アレイ状に配列され、各光電変換素子は、第１の光電変換素子アレイを透過した透過光を受光する第２の光電変換素子アレイと、
前記第１及び第２の光電変換素子アレイの各光電変換素子に発生した電荷を読み出す読出回路とを具え、
前記第１の光電変換素子アレイから読み出された信号を色信号として出力し、第２の光電変換素子アレイから読み出された信号を輝度信号として出力することを特徴とする。 The color imaging device according to the present invention includes a first photoelectric conversion element in which light-transmissive photoelectric conversion elements each having a peak sensitivity of photoelectric conversion characteristics in each of the R, G, and B wavelength ranges are arranged in a two-dimensional array. An array,
Photoelectric conversion elements having substantially uniform photoelectric conversion characteristics in the wavelength range of visible light are arranged in a two-dimensional array, and each photoelectric conversion element receives a transmitted light that has passed through the first photoelectric conversion element array. A photoelectric conversion element array;
A readout circuit for reading out electric charges generated in each photoelectric conversion element of the first and second photoelectric conversion element arrays,
The signal read from the first photoelectric conversion element array is output as a color signal, and the signal read from the second photoelectric conversion element array is output as a luminance signal.

本発明では、色信号を出力する第１の光電変換素子アレイと、第１光電変換素子アレイを透過した透過光を受光し、輝度信号を出力する第２の光電変換素子アレイとを有するので、カラーフィルタを用いる従来のカラー撮像装置とは基本的に異なり、入射した画像光のほぼ全体が光電変換に利用される。この結果、撮像装置が微細化して各画素に入射する光量が少なくなっても、高い解像度が得られ、良好な感度特性を有するカラー撮像装置が実現される。 In the present invention, since it has a first photoelectric conversion element array that outputs a color signal and a second photoelectric conversion element array that receives transmitted light that has passed through the first photoelectric conversion element array and outputs a luminance signal, Unlike a conventional color imaging apparatus using a color filter, almost the entire incident image light is used for photoelectric conversion. As a result, even when the imaging device is miniaturized and the amount of light incident on each pixel is reduced, a color imaging device having high resolution and good sensitivity characteristics is realized.

本発明によるカラー撮像装置の好適実施例は、第１の光電変換素子アレイの各光電変換素子は、吸収極大波長において５０〜９０％の光透過率を有することを特徴とする。 A preferred embodiment of the color imaging device according to the present invention is characterized in that each photoelectric conversion element of the first photoelectric conversion element array has a light transmittance of 50 to 90% at an absorption maximum wavelength.

本発明によるカラー撮像装置の別の好適実施例は、第１の光電変換素子アレイの光電変換素子は、光透過性の有機化合物材料で構成され、前記第２の光電変換素子アレイの光電変換素子はシリコン系材料により構成したことを特徴とする。 In another preferred embodiment of the color imaging apparatus according to the present invention, the photoelectric conversion element of the first photoelectric conversion element array is made of a light-transmitting organic compound material, and the photoelectric conversion element of the second photoelectric conversion element array Is made of a silicon-based material.

本発明によるカラー撮像装置の別の好適実施例は、第１の光電変換素子アレイと第２の光電変換素子アレイとの間にマイクロレンズアレイを配置し、第１の光電変換素子アレイの各光電変換素子を透過した透過光が第２の光電変換素子アレイの対応する光電変換素子上に集光するように構成したことを特徴とする。このように、２つの光電変換素子アレイ間にマイクロレンズアレイを配置することにより、第１の光電変換素子アレイと第２の光電変換素子アレイとの間で、開口率を揃えることが可能になる。 In another preferred embodiment of the color imaging apparatus according to the present invention, a microlens array is arranged between the first photoelectric conversion element array and the second photoelectric conversion element array, and each photoelectric element of the first photoelectric conversion element array is arranged. It is characterized in that the transmitted light that has passed through the conversion element is condensed on the corresponding photoelectric conversion element of the second photoelectric conversion element array. Thus, by arranging the microlens array between the two photoelectric conversion element arrays, it becomes possible to make the aperture ratio uniform between the first photoelectric conversion element array and the second photoelectric conversion element array. .

本発明によるカラー撮像装置は、基板上に形成した第２の撮像素子と、第２の撮像素子上に形成した光学的に透明な透明膜と、透明膜上に形成した第１の撮像素子とを有し、
前記第１の撮像素子は、Ｒ，Ｇ，Ｂの各波長域にピーク感度をそれぞれ有する光透過性の光電変換素子が２次元アレイ状に配列されている第１の光電変換素子アレイと、第１の光電変換素子アレイの各光電変換素子で発生した電荷を読み出す第１の読出回路とを有し、
前記第２の撮像素子は、可視光の波長域においてほぼ均一な光電変換特性を有する光電変換素子が２次元アレイ状に配列され、各光電変換素子は、第１の光電変換素子アレイを透過した透過光を前記透明膜を介して受光する第２の光電変換素子アレイと、第２の光電変換素子アレイの各光電変換素子で発生した電荷を読み出す第２の読出回路とを有し、
前記第１の光電変換素子アレイから読み出された信号を色信号として出力し、第２の光電変換素子アレイから読み出された信号を輝度信号として出力することを特徴とする。本例では、２つの撮像素子間に透明膜を介在させているので、基板上に２つの撮像素子を積層形成することが可能になる。 A color imaging device according to the present invention includes a second imaging element formed on a substrate, an optically transparent transparent film formed on the second imaging element, and a first imaging element formed on the transparent film. Have
The first imaging element includes a first photoelectric conversion element array in which light-transmitting photoelectric conversion elements each having a peak sensitivity in each of the R, G, and B wavelength ranges are arranged in a two-dimensional array; A first readout circuit that reads out the electric charge generated in each photoelectric conversion element of one photoelectric conversion element array;
In the second imaging element, photoelectric conversion elements having substantially uniform photoelectric conversion characteristics in a visible light wavelength range are arranged in a two-dimensional array, and each photoelectric conversion element transmits the first photoelectric conversion element array. A second photoelectric conversion element array that receives the transmitted light through the transparent film, and a second readout circuit that reads out the electric charge generated in each photoelectric conversion element of the second photoelectric conversion element array,
The signal read from the first photoelectric conversion element array is output as a color signal, and the signal read from the second photoelectric conversion element array is output as a luminance signal. In this example, since the transparent film is interposed between the two image sensors, two image sensors can be stacked on the substrate.

本発明によるカラー撮像装置では、入射光のうちＲ，Ｇ，又はＢの１つの波長光の一部だけが第１の光電変換素子において吸収され、残りの全ての光は第２の光電変換素子アレイに入射して輝度情報の出力に寄与するため、原理的に入射光の全てが色信号及び輝度信号の生成に利用される。この結果、撮像装置の微細化に伴い、各画素当たりの入射光量が低下しても良好な感度特性のカラー撮像装置が実現される。 In the color imaging device according to the present invention, only a part of the R, G, or B wavelength light in the incident light is absorbed by the first photoelectric conversion element, and all the remaining light is the second photoelectric conversion element. In principle, all of the incident light is used to generate color signals and luminance signals in order to contribute to the output of luminance information upon entering the array. As a result, with the miniaturization of the imaging device, a color imaging device with good sensitivity characteristics can be realized even if the amount of incident light per pixel decreases.

図３は本発明によるカラー撮像装置の基本構成を示す概念図である。本発明によるカラー撮像装置は、光の入射側より第１の光電変換素子アレイ１０と第２の光電変換素子アレイ１１とを有する二層構造とし、第１の光電変換素子アレイ１０により色成分を取得し、第２の光電変換素子アレイ１１により輝度成分を取得する。第１の光電変換素子アレイ１０は、Ｒ，Ｇ，Ｂの各波長域にピーク感度を有する光電変換素子が２次元アレイ状に配列され、各光電変換素子は光透過性を有する。第２の光電変換素子アレイ１１は、可視光の波長域にわたってほぼ一様な光電変換特性を有する光電変換素子（Ｗ）を２次元アレイ状に配列した構成を有し、各光電変換素子は、第１の光電変換素子アレイの対応する光電変換素子を透過した透過光を受光する。画像光が入射した際、第１の光電変換素子アレイの各光電変換素子で発生した電荷及び第２の光電変換素子アレイの各光電変換素子で発生した電荷は、読出回路によりそれぞれ読み出され、第１の光電変換素子アレイから読み出された出力信号は色信号として出力され、第２の光電変換素子アレイから読み出された出力信号は輝度信号として出力される。 FIG. 3 is a conceptual diagram showing a basic configuration of a color imaging apparatus according to the present invention. The color imaging device according to the present invention has a two-layer structure including a first photoelectric conversion element array 10 and a second photoelectric conversion element array 11 from the light incident side, and the first photoelectric conversion element array 10 generates color components. The luminance component is acquired by the second photoelectric conversion element array 11. In the first photoelectric conversion element array 10, photoelectric conversion elements having peak sensitivity in each wavelength region of R, G, and B are arranged in a two-dimensional array, and each photoelectric conversion element has optical transparency. The second photoelectric conversion element array 11 has a configuration in which photoelectric conversion elements (W) having substantially uniform photoelectric conversion characteristics over the wavelength range of visible light are arranged in a two-dimensional array. The transmitted light that has passed through the corresponding photoelectric conversion element of the first photoelectric conversion element array is received. When image light is incident, the charge generated in each photoelectric conversion element of the first photoelectric conversion element array and the charge generated in each photoelectric conversion element of the second photoelectric conversion element array are read out by the readout circuit, respectively. The output signal read from the first photoelectric conversion element array is output as a color signal, and the output signal read from the second photoelectric conversion element array is output as a luminance signal.

本例では、ＲＧＢの各光電変換素子はサブピクセルを構成し、２個のＧのサブピクセルと、Ｒのサブピクセルと、Ｂのサブピクセルとの４個のサブピクセルで１個の画素を構成する。尚、図３に示す光電変換素子アレイはベイヤー配列により色情報を取得しているが、この他に、インターライン配列、ストライプ配列、斜めストライプ配列、ＧストライプＲＢ市松配列などの原色配列はもちろん、フィールド色差順次配列、フレーム色差順次配列、フレームインターリーブ配列、フィールドインターリーブ配列、ストライプ配列などの補色配列方式など、単板用の色フィルター配列で用いられている各種の方式を適用することができる。 In this example, each of the RGB photoelectric conversion elements constitutes a subpixel, and one pixel is constituted by four subpixels of two G subpixels, an R subpixel, and a B subpixel. To do. In addition, although the photoelectric conversion element array shown in FIG. 3 acquires color information by the Bayer arrangement, in addition to the primary color arrangement such as an interline arrangement, a stripe arrangement, an oblique stripe arrangement, a G stripe RB checkered arrangement, of course, Various methods used in the color filter array for a single plate, such as a complementary color array method such as a field color difference sequential array, a frame color difference sequential array, a frame interleave array, a field interleave array, and a stripe array, can be applied.

図４は第１の光電変換素子アレイ１０の光透過に関する概念を説明する概念図である。初めに、Ｂの波長域の色情報を出力する光電変換素子１０ｂについて説明する。光電変換素子１０ｂに入射した画像光のうち、Ｇ光及びＲ光は当該光電変換素子においてほとんど吸収されることなく透過し、第２の光電変換素子アレイ１１の対応する光電変換素子（Ｗ）に入射し、輝度成分の出力に寄与する。入射したＢ光については、その一部が当該光電変換素子１０ｂで吸収されＢ色情報となり、残りの吸収されない成分は当該光電変換素子を透過し、第２の光電変換素子アレイの対応する光電変換素子（Ｗ）に入射し、輝度成分情報の出力に寄与する。光電変換素子の透過率は、ほぼ５０〜９０％に設定することが好ましい。すなわち、当該色の１０〜５０％の光が第１の光電変換素子アレイで吸収され、色情報に寄与することになる。光電変換素子１０ｂがＢの波長域の光の７０％を透過する場合の、波長全体に対する透過率を図５（ａ）に模式的に示す。 FIG. 4 is a conceptual diagram illustrating a concept relating to light transmission of the first photoelectric conversion element array 10. First, the photoelectric conversion element 10b that outputs color information in the B wavelength region will be described. Of the image light incident on the photoelectric conversion element 10b, the G light and the R light are transmitted through the photoelectric conversion element with almost no absorption, and are transmitted to the corresponding photoelectric conversion element (W) of the second photoelectric conversion element array 11. Incident light contributes to luminance component output. A part of the incident B light is absorbed by the photoelectric conversion element 10b to become B color information, and the remaining non-absorbed component is transmitted through the photoelectric conversion element, and the corresponding photoelectric conversion of the second photoelectric conversion element array. It enters the element (W) and contributes to the output of luminance component information. The transmittance of the photoelectric conversion element is preferably set to approximately 50 to 90%. That is, 10 to 50% of light of the color is absorbed by the first photoelectric conversion element array and contributes to color information. FIG. 5 (a) schematically shows the transmittance with respect to the entire wavelength when the photoelectric conversion element 10b transmits 70% of light in the B wavelength region.

次に、Ｇの波長域の色情報を出力する光電変換素子１０ｇについて説明する。当該光電変換素子１０ｇに入射した画像光のうち、Ｒ光及びＢ光は当該光電変換素子において吸収されることなく透過し、第２の光電変換素子アレイ１１の対応する光電変換素子（Ｗ）に入射し、輝度成分の出力に寄与する。入射したＧ光については、その一部が当該光電変換素子１０ｇで吸収されＧ色情報となり、残りの吸収されない成分は当該光電変換素子を透過し、第２の光電変換素子アレイの対応する光電変換素子（Ｗ）に入射し、輝度成分情報の出力に寄与する。光電変換素子１０ｇの透過率は、ほぼ５０〜９０％に設定することが好ましい。すなわち、当該色の１０〜５０％の光が第１の光電変換素子アレイで吸収され、色情報に寄与することになる。光電変換素子１０ｇ光がＧの波長域の光の７０％を透過する場合の、波長全体に対する透過率を図５（ｂ）に示す。 Next, the photoelectric conversion element 10g that outputs color information in the G wavelength range will be described. Among the image light incident on the photoelectric conversion element 10g, R light and B light are transmitted without being absorbed by the photoelectric conversion element, and are transmitted to the corresponding photoelectric conversion element (W) of the second photoelectric conversion element array 11. Incident light contributes to luminance component output. A part of the incident G light is absorbed by the photoelectric conversion element 10g to become G color information, and the remaining non-absorbed component is transmitted through the photoelectric conversion element, and the corresponding photoelectric conversion of the second photoelectric conversion element array. It enters the element (W) and contributes to the output of luminance component information. The transmittance of the photoelectric conversion element 10g is preferably set to approximately 50 to 90%. That is, 10 to 50% of light of the color is absorbed by the first photoelectric conversion element array and contributes to color information. FIG. 5B shows the transmittance with respect to the entire wavelength when the photoelectric conversion element 10g light transmits 70% of the light in the G wavelength range.

最後に、Ｒ光の色情報を出力する光電変換素子１０ｒについて説明する。この光電変換素子１０ｒに入射した画像光のうち、Ｂ光及びＧ光は当該光電変換素子において吸収されることなく透過し、第２の光電変換素子アレイ１１の対応する光電変換素子（Ｗ）に入射し、輝度成分の出力に寄与する。入射したＲ光については、その一部が当該光電変換素子１０ｒで吸収されＲ色情報の出力に寄与し、残りの吸収されない成分は当該光電変換素子を透過し、第２の光電変換素子アレイの対応する光電変換素子（Ｗ）に入射して輝度成分情報の出力に寄与する。光電変換素子１０ｒの透過率は、ほぼ５０〜９０％に設定することが好ましい。すなわち、当該色の１０〜５０％の光が第１の光電変換素子アレイで吸収され、色情報の出力に寄与することになる。光電変換素子１０ｒ光がＧの波長域の光の７０％を透過する場合の、波長全体に対する透過率を図５（ｃ）に示す。 Finally, a photoelectric conversion element 10r that outputs color information of R light will be described. Of the image light incident on the photoelectric conversion element 10r, B light and G light are transmitted without being absorbed by the photoelectric conversion element, and are transmitted to the corresponding photoelectric conversion element (W) of the second photoelectric conversion element array 11. Incident light contributes to luminance component output. Part of the incident R light is absorbed by the photoelectric conversion element 10r and contributes to the output of the R color information, and the remaining non-absorbed components are transmitted through the photoelectric conversion element, and the second photoelectric conversion element array. It is incident on the corresponding photoelectric conversion element (W) and contributes to the output of the luminance component information. The transmittance of the photoelectric conversion element 10r is preferably set to approximately 50 to 90%. That is, 10 to 50% of light of the color is absorbed by the first photoelectric conversion element array and contributes to the output of color information. FIG. 5C shows the transmittance with respect to the entire wavelength when the photoelectric conversion element 10r light transmits 70% of the light in the G wavelength region.

本発明では、色情報を出力する第１の光電変換素子アレイの各光電変換素子は、可視域において光透過性であるから、第２の光電変換素子アレイ１１は、第１の光電変換素子アレイを透過した光の全て波長域の光を受光する。すなわち、カラー撮像装置を構成する全ての画素においてＲ，Ｇ，Ｂの全ての波長光の輝度成分を含む輝度信号が出力される。 In the present invention, since each photoelectric conversion element of the first photoelectric conversion element array that outputs color information is light transmissive in the visible range, the second photoelectric conversion element array 11 is the first photoelectric conversion element array. Receives light in the entire wavelength range of the light transmitted through. That is, a luminance signal including luminance components of all R, G, and B wavelength light is output from all the pixels constituting the color imaging apparatus.

次に、本発明のカラー撮像装置の具体的構成について説明する。図６は本発明によるカラー撮像装置の一例を示す線図的断面図である。本例では、第１及び第２の光電変換素子アレイで発生した電荷を独立した読出回路により読み出す構成例について説明する。本例のカラー撮像装置は、第１の光電変換素子アレイを含む第１の撮像素子２０と、第２の光電変換素子アレイを含む第２の撮像素子３０とを貼り合わせた構造を有し、第１の撮像素子２０から色信号を出力し、第２の撮像素子３０から輝度信号を出力する。 Next, a specific configuration of the color imaging apparatus of the present invention will be described. FIG. 6 is a schematic cross-sectional view showing an example of a color imaging apparatus according to the present invention. In this example, a configuration example is described in which charges generated in the first and second photoelectric conversion element arrays are read out by independent reading circuits. The color imaging device of this example has a structure in which a first imaging element 20 including a first photoelectric conversion element array and a second imaging element 30 including a second photoelectric conversion element array are bonded together. A color signal is output from the first image sensor 20 and a luminance signal is output from the second image sensor 30.

第１の撮像素子２０は、画像光が入射する側から、透明電極層２１、光電変換素子アレイ２２、画素電極２３、及び、透明基板上に形成された読出回路２４を順次配列した構造とする。光電変換素子アレイ２２は、ＲＧＢの波長域の光に対してそれぞれピーク感度を有する光電変換素子２２ｒ，２２ｇ，２２ｂが２次元アレイ状に配列された構造を有する。各光電変換素子は、有機系の光電変換材料で構成することができ、例えば、Ｒの波長域にピーク感度を有する材料としてフタロシアニン誘導体が用いられ、Ｇの波長域にピーク感度を有する有機材料としてペリレン誘導体が用いられ、Ｂの波長域にピーク感度を有する有機材料としてポルフィリン誘導体が用いられる。それら以外の材料として、アクリジン、クマリン、キナクリドン、シアニン、スクエアリリウム、オキサジン、キサンテントリフェニルアミン、ベンジジン、ピラゾリン、スチルアミン、ヒドラゾン、トリフェニルメタン、カルバゾール、ポリシラン、チオフェン、ポリアミン、オキサジアゾール、トリアゾール、トリアジン、キノキサリン、フェナンスロリン、フラーレン、アルミニウムキノリン、ポリパラフェニレンビニレン、ポリフルオレン、ポリビニルカルバゾール、ポリチオール、ポリピロール、ポリチオフェンおよびこれらの誘導体を単独で、もしくは、これらに代表される有機材料を２種類以上混合ないし積層することにより光電変換素子を形成することが可能である。 The first imaging element 20 has a structure in which a transparent electrode layer 21, a photoelectric conversion element array 22, a pixel electrode 23, and a readout circuit 24 formed on a transparent substrate are sequentially arranged from the side on which image light is incident. . The photoelectric conversion element array 22 has a structure in which photoelectric conversion elements 22r, 22g, and 22b each having peak sensitivity with respect to light in the RGB wavelength range are arranged in a two-dimensional array. Each photoelectric conversion element can be composed of an organic photoelectric conversion material. For example, a phthalocyanine derivative is used as a material having a peak sensitivity in the R wavelength region, and an organic material having a peak sensitivity in the G wavelength region. Perylene derivatives are used, and porphyrin derivatives are used as organic materials having peak sensitivity in the B wavelength region. Other materials include acridine, coumarin, quinacridone, cyanine, squarylium, oxazine, xanthenetriphenylamine, benzidine, pyrazoline, stilamine, hydrazone, triphenylmethane, carbazole, polysilane, thiophene, polyamine, oxadiazole, triazole, Triazine, quinoxaline, phenanthroline, fullerene, aluminum quinoline, polyparaphenylene vinylene, polyfluorene, polyvinyl carbazole, polythiol, polypyrrole, polythiophene and their derivatives alone or two or more organic materials typified by them A photoelectric conversion element can be formed by mixing or laminating.

光電変換素子の膜厚は、１０ｎｍ〜５μｍがよく、５０ｎｍ〜１μｍが好適である。尚、光電変換素子アレイ２２の上側に透明電極層２１が形成されるため、ＲＧＢの光電変換素子の膜厚がほぼ同一となるように形成する。光電変換素子アレイの形成方法として、マスクを用いた真空蒸着法、露光染色法、エッチング、印刷法、インクジェット法等を適用することが可能である。 The film thickness of the photoelectric conversion element is preferably 10 nm to 5 μm, and preferably 50 nm to 1 μm. In addition, since the transparent electrode layer 21 is formed on the upper side of the photoelectric conversion element array 22, the RGB photoelectric conversion elements are formed to have substantially the same film thickness. As a method for forming the photoelectric conversion element array, a vacuum vapor deposition method using a mask, an exposure dyeing method, an etching method, a printing method, an ink jet method, or the like can be applied.

光電変換素子アレイ２２の上側（画像光が入射する側）に透明電極層２１を形成する。この透明電極層は、光電変換素子に電圧を印加するためのものであり、可視光が透過する透明性の高い種々の光学材料を用いることができる。一例として、インジウム錫酸化膜（ITO）などの無機透明電極膜もしくはPolyethylene dioxythiophene polystyrene sulphonate (PEDT/PSS)などの有機透明導電膜が用いられる。透明電極層２１に印加する電圧は、光電変換素子にかかる電界として１０^３〜１０^７Ｖ／ｃｍの範囲がよく、一般的には１０^４〜１０^６Ｖ／ｃｍ程度の電界が形成されるように電圧を設定する。 The transparent electrode layer 21 is formed on the upper side of the photoelectric conversion element array 22 (the side on which the image light is incident). This transparent electrode layer is for applying a voltage to the photoelectric conversion element, and various optical materials with high transparency that transmit visible light can be used. As an example, an inorganic transparent electrode film such as indium tin oxide film (ITO) or an organic transparent conductive film such as polyethylene dioxythiophene polystyrene sulphonate (PEDT / PSS) is used. The voltage applied to the transparent electrode layer 21 is preferably in the range of 10 ³ to 10 ⁷ V / cm as an electric field applied to the photoelectric conversion element, and generally an electric field of about 10 ⁴ to 10 ⁶ V / cm is formed. Set the voltage to.

第１の光電変換素子アレイの下側には、画素電極２３のアレイを形成する。画素電極２３も可視光が透過する透明性の高い光学材料で構成する。一例として、インジウム錫酸化膜（ITO）などの無機透明電極材料もしくはPolyethylene dioxythiophene polystyrene sulphonate (PEDT/PSS)などの有機透明導電膜が用いられる。 An array of pixel electrodes 23 is formed below the first photoelectric conversion element array. The pixel electrode 23 is also made of a highly transparent optical material that transmits visible light. As an example, an inorganic transparent electrode material such as indium tin oxide film (ITO) or an organic transparent conductive film such as polyethylene dioxythiophene polystyrene sulphonate (PEDT / PSS) is used.

符号２４は、各光電変換素子に蓄積された電荷を読み出す信号読出回路を示し、信号読出回路として例えば薄膜トランジス(TFT)アレイを用いることができる。この薄膜トランジスタは、ガラス基板上に形成される一般的なものでよく、TFTアレイの基本構造を図７に示す。図７はTFTアレイの基本構造を示す線図的平面図である。各TFTは、ガラス基板上に形成したゲート電極４１、半導体層４２、ソース電極４３、ドレイン電極４４により構成される。TFTの上側には画素電極２３が形成され、画素電極２３はTFTのソースに接合する。電極及び配線には金属材料が用いられ、半導体層にはアモルファスシリコンや多結晶シリコンなどが用いられる。尚、TFTの開口率を高めたい場合には、電極及び配線材料としてITOなどの透明電極材料、半導体層としてZnOやInGaZnO₄など、結晶系もしくは非晶質系の透明半導体材料が用いられる。 Reference numeral 24 denotes a signal readout circuit for reading out the electric charge accumulated in each photoelectric conversion element. For example, a thin film transistor (TFT) array can be used as the signal readout circuit. This thin film transistor may be a general one formed on a glass substrate, and the basic structure of a TFT array is shown in FIG. FIG. 7 is a diagrammatic plan view showing the basic structure of the TFT array. Each TFT includes a gate electrode 41, a semiconductor layer 42, a source electrode 43, and a drain electrode 44 formed on a glass substrate. A pixel electrode 23 is formed above the TFT, and the pixel electrode 23 is bonded to the TFT source. A metal material is used for the electrode and the wiring, and amorphous silicon, polycrystalline silicon, or the like is used for the semiconductor layer. In order to increase the aperture ratio of the TFT, a transparent electrode material such as ITO is used as an electrode and a wiring material, and a crystalline or amorphous transparent semiconductor material such as ZnO or InGaZnO ₄ is used as a semiconductor layer.

次に、第２の撮像素子３０について説明する。第２の撮像素子３０は、第２の光電変換素子アレイと、各光電変換素子で発生した電荷を読み出す読出回路とで構成する。この第２の撮像素子３０は、可視光の波長域の全域にわたって光電変換特性を有する必要があり、通常の撮像素子として一般に用いられている電荷結合素子（Charge Coupled Device：CCD）や相補型金属酸化物半導体（Complementary Metal- Oxide Semiconductor：CMOS）などを用いた固体撮像素子が最も好適である。また、アモルファスシリコン、化合物半導体材料などの無機材料、可視域全域にわたって感度を有する有機半導体材料等を光電変換素子として用い、これらの膜を積層したCCD撮像素子、CMOS撮像素子、TFT撮像素子などを用いてもよい。 Next, the second image sensor 30 will be described. The second image sensor 30 includes a second photoelectric conversion element array and a readout circuit that reads out electric charges generated in each photoelectric conversion element. The second image sensor 30 needs to have photoelectric conversion characteristics over the entire wavelength range of visible light, and is typically a charge coupled device (CCD) or a complementary metal that is generally used as an image sensor. A solid-state imaging device using an oxide semiconductor (Complementary Metal-Oxide Semiconductor: CMOS) or the like is most preferable. In addition, using amorphous materials such as amorphous silicon and compound semiconductor materials, organic semiconductor materials that have sensitivity over the entire visible range, etc. as photoelectric conversion elements, CCD image sensors, CMOS image sensors, TFT image sensors, etc. with these films laminated It may be used.

図６に示す実施例の第２の撮像素子３０は、受光部としてCCD固体撮像素子を用いる。第２の撮像素子３０は半導体基板３１を有し、半導体基板上に２次元アレイ状に形成した光電変換素子３２と、光電変換素子間に形成した電荷転送電極３３と、電荷転送電極３３上に形成した遮光膜３４とを有する。第１の撮像素子２０の各光電変換素子２２ｒ、２２ｇ、２２ｂをそれぞれ透過した光は第２の撮像素子の対応する光電変換素子に入射し、入射光量に対応した光電荷が発生する。各光電変換素子に蓄積された電荷は、転送スイッチにより電荷転送電極に順次転送され、順次読み出される。 The second image sensor 30 of the embodiment shown in FIG. 6 uses a CCD solid-state image sensor as a light receiving unit. The second imaging element 30 includes a semiconductor substrate 31, photoelectric conversion elements 32 formed in a two-dimensional array on the semiconductor substrate, charge transfer electrodes 33 formed between the photoelectric conversion elements, and charge transfer electrodes 33. And the formed light shielding film 34. The light transmitted through each of the photoelectric conversion elements 22r, 22g, and 22b of the first image sensor 20 enters the corresponding photoelectric conversion element of the second image sensor, and photocharge corresponding to the amount of incident light is generated. The charges accumulated in the photoelectric conversion elements are sequentially transferred to the charge transfer electrodes by the transfer switch and sequentially read out.

ＣＣＤ撮像素子では、不可避的に電荷転送電極と光電変換素子とが同一平面状に形成されるため、素子の開口率が低くなる。そのため、第１の撮像素子の画素電極２３の表面積に対して、第２の撮像素子の光電変換素子の表面積が小さくなり、第１の撮像素子と第２の撮像素子とで開口率が異なってしまう。そこで、第１の撮像素子と第２の撮像層との間にマイクロレンズアレイ（層間レンズアレイ）を配置し、第１の光電変換素子アレイの各光電変換素子から透過した透過光をマイクロレンズを介して第２の撮像素子の対応する光電変換素子上に集光させ、第１の光電変換素子アレイと第２の光電変換素子アレイの開口率を揃えることも可能である。この実施例を図８に示す。本例では、第２の撮像素子３０の光電変換素子アレイ及び電荷転送電極上に透明膜５１を形成し、この透明膜の表面を平坦化し、その上にマイクロレンズアレイ５２を設ける。透明膜５１の材料として、各種の光学的に透明な材料を用いることができ、例えばボロンリンガラスを用いることができる。また、マイクロレンズの材料として、窒化シリコン、ポリイミド樹脂、ポリスチレン樹脂を用いることができる。 In the CCD image pickup device, the charge transfer electrode and the photoelectric conversion device are inevitably formed in the same plane, so that the aperture ratio of the device is lowered. Therefore, the surface area of the photoelectric conversion element of the second image sensor is smaller than the surface area of the pixel electrode 23 of the first image sensor, and the aperture ratios of the first image sensor and the second image sensor are different. End up. Therefore, a microlens array (interlayer lens array) is disposed between the first imaging element and the second imaging layer, and the transmitted light transmitted from each photoelectric conversion element of the first photoelectric conversion element array is passed through the microlens. The aperture ratio of the first photoelectric conversion element array and that of the second photoelectric conversion element array can be made uniform by condensing on the corresponding photoelectric conversion elements of the second imaging element. This embodiment is shown in FIG. In this example, a transparent film 51 is formed on the photoelectric conversion element array and the charge transfer electrode of the second image sensor 30, the surface of the transparent film is flattened, and a microlens array 52 is provided thereon. As the material of the transparent film 51, various optically transparent materials can be used. For example, boron phosphorus glass can be used. Further, silicon nitride, polyimide resin, or polystyrene resin can be used as a material for the microlens.

図９は本発明によるカラー撮像装置の変形例を示す線図的断面図である。図６に示すカラー撮像装置は、色信号を出力する第１の撮像素子と、輝度信号を出力する第２の撮像素子とを別体構造とし、これら２つの撮像素子を各光電変換素子が互いに対向するように貼り合わせて１つのチィップとして構成した。これに対して、本例では、薄膜積層技術及びエッチング技術を利用して単一の基板上に第１及び第２の撮像素子を積層形成した構造である。基板として、シリコン基板６０を用意し、シリコン基板６０上にCMOSが２次元アレイ状に形成されたCMOS部６１を形成する。各CMOSは受光素子６２を有する。受光素子６２は、例えばポリシリコン膜を形成し、フォトリソグラフィにより形成することができる。これにより、第２の撮像素子３０が基板６０上に形成される。 FIG. 9 is a diagrammatic sectional view showing a modification of the color imaging apparatus according to the present invention. The color image pickup apparatus shown in FIG. 6 has a first image pickup device that outputs a color signal and a second image pickup device that outputs a luminance signal as separate structures, and the photoelectric conversion elements are connected to each other. They were laminated so as to oppose each other and constituted as one chip. In contrast, the present example has a structure in which the first and second imaging elements are stacked on a single substrate using a thin film stacking technique and an etching technique. A silicon substrate 60 is prepared as a substrate, and a CMOS portion 61 in which CMOS is formed in a two-dimensional array is formed on the silicon substrate 60. Each CMOS has a light receiving element 62. The light receiving element 62 can be formed by, for example, forming a polysilicon film and photolithography. Thereby, the second image sensor 30 is formed on the substrate 60.

次に、CMOS部６１上に光学的に透明な透明膜（平坦化層）６３を堆積する。透明膜は、例えばCVD法により酸化シリコンや窒化シリコンを堆積することができる。次に、透明膜６３の表面を、例えばCMP（Chemical Mechanical Polishing ）により平坦面となるように鏡面研磨する。さらに、鏡面研磨された透明膜６３上に第１の撮像素子２０の読出回路を構成するTFTアレイ層６４を形成する。 Next, an optically transparent transparent film (planarization layer) 63 is deposited on the CMOS portion 61. As the transparent film, silicon oxide or silicon nitride can be deposited by, for example, a CVD method. Next, the surface of the transparent film 63 is mirror-polished so as to be a flat surface by, for example, CMP (Chemical Mechanical Polishing). Further, the TFT array layer 64 constituting the readout circuit of the first image sensor 20 is formed on the mirror-polished transparent film 63.

TFTのアレイ上に、例えばCVD法により酸化シリコンの第２の透明膜（平坦化層）を堆積し、鏡面研磨を行い、光学的に透明な透明膜（図示せず）を形成する。さらに、透明膜上にITOの画素電極６５のアレイを形成する。画素電極のアレイ上に第１の光電変換素子アレイを形成し、その上に例えばITOの透明電極層６６を形成し、本発明によるカラー撮像装置が完成する。 A second transparent film (planarization layer) of silicon oxide is deposited on the TFT array by, for example, a CVD method, and mirror-polished to form an optically transparent transparent film (not shown). Further, an array of ITO pixel electrodes 65 is formed on the transparent film. A first photoelectric conversion element array is formed on the pixel electrode array, and a transparent electrode layer 66 of, for example, ITO is formed on the first photoelectric conversion element array, thereby completing the color imaging device according to the present invention.

図１０は本発明によるカラー撮像装置の別の変形例を示す線図的断面図である。本例では、図９に示すカラー撮像装置をベースにして、第１及び第２の撮像素子２０及び３０を同一の読出回路で駆動する例を示す。尚、図９で用いた構成要素と同一の構成要素には同一符号を付して説明する。CMOS部６１上に形成した透明膜（層間絶縁膜）６３に微細孔を形成し、この微細孔に導体７０を形成し、この導体７０の一端を第１の撮像素子の画素電極６５に接続する。第２の撮像素子のCMOS部６１のCMOS形成領域内に電荷蓄積部７１をそれぞれ形成する。そして、第１の撮像素子の画素電極と第２の撮像素子の対応するCMOSの領域に形成した電荷蓄積部７１とを導体７０により相互に接続する。画像光が入射すると、第1の撮像素子の光電変換素子に入射した入射光の強度に対応した電荷が発生し、発生した電荷に対応する電荷が各電荷蓄積部７１にそれぞれ蓄積される。従って、電荷蓄積部７１に蓄積された電荷をCMOS読出回路により順次読み出すことにより、第１及び第２の撮像素子を同一の読出回路で駆動することができる。尚、第２の撮像素子の受光部以外の領域に光が入射するのを防止するため、遮光部７２を設けることが望ましい。 FIG. 10 is a diagrammatic sectional view showing another modification of the color imaging apparatus according to the present invention. In this example, an example in which the first and second imaging elements 20 and 30 are driven by the same readout circuit based on the color imaging apparatus shown in FIG. In addition, the same code | symbol is attached | subjected and demonstrated to the component same as the component used in FIG. A fine hole is formed in the transparent film (interlayer insulating film) 63 formed on the CMOS portion 61, a conductor 70 is formed in the fine hole, and one end of the conductor 70 is connected to the pixel electrode 65 of the first image sensor. . Charge storage portions 71 are formed in the CMOS formation region of the CMOS portion 61 of the second image sensor. Then, the pixel electrode of the first image sensor and the charge storage portion 71 formed in the corresponding CMOS region of the second image sensor are connected to each other by a conductor 70. When the image light is incident, a charge corresponding to the intensity of the incident light incident on the photoelectric conversion element of the first image sensor is generated, and the charge corresponding to the generated charge is stored in each charge storage unit 71. Therefore, the first and second imaging elements can be driven by the same readout circuit by sequentially reading out the charges accumulated in the charge accumulation unit 71 by the CMOS readout circuit. In order to prevent light from entering the region other than the light receiving portion of the second image sensor, it is desirable to provide the light shielding portion 72.

本発明によるカラー撮像装置では、色情報成分Ｒ，Ｇ，Ｂに関しては第１の撮像素子により、輝度成分Ｗに関しては第２の撮像素子により得られるが、輝度成分Ｗについては、Ｒ、Ｇ及びＢの各成分光の一部が第１の光電変換素子アレイで吸収されるので、その吸収成分だけ減少した輝度信号が出力されることになる。しかし、この吸収成分については、信号処理回路において補完することが可能である。すなわち、色信号を出力する第１の撮像素子のＲＧＢの各光電変換素子における吸収率は予め既知であるため、既知の吸収率を用いて第２の撮像素子で得られた輝度成分の値を補正することができる。 In the color imaging device according to the present invention, the color information components R, G, and B are obtained by the first imaging device, and the luminance component W is obtained by the second imaging device. Since a part of each component light of B is absorbed by the first photoelectric conversion element array, a luminance signal reduced by the absorption component is output. However, this absorption component can be supplemented in the signal processing circuit. That is, since the absorption rate in each of the RGB photoelectric conversion elements of the first image sensor that outputs a color signal is known in advance, the value of the luminance component obtained by the second image sensor using the known absorption rate is calculated. It can be corrected.

従来のカラー撮像装置では、例えば原色方式の場合、レンズを通して入射した光のうちカラーフィルタを透過した一部の光による色信号（Ｒ，Ｇ，Ｂ信号）に基づいて輝度信号が取得されている。これに対して、本発明では、原理的にレンズを通して入射した全ての光に基づいて輝度信号が生成されるため、従来のカラー撮像装置に比べて一層高感度な撮像装置が実現される。 In a conventional color imaging apparatus, for example, in the case of a primary color system, a luminance signal is acquired based on color signals (R, G, B signals) of a part of light incident through a lens and transmitted through a color filter. . On the other hand, in the present invention, since a luminance signal is generated based on all the light incident through the lens in principle, an imaging device with higher sensitivity than a conventional color imaging device is realized.

さらに、本発明により得られる色情報は、従来の原色配列方式、あるいは補色配列方式によるものであるため、信号処理回路に関しても従来の各種方式をそのまま適用することが可能であり、従来のカラー撮像装置と同等の色再現性を得ることができる。 Furthermore, since the color information obtained by the present invention is based on the conventional primary color array system or the complementary color array system, various conventional systems can be applied to the signal processing circuit as they are, and conventional color imaging is possible. Color reproducibility equivalent to that of the apparatus can be obtained.

［カラー撮像装置の作製］
（第１の撮像素子）
第１の光電変換素子アレイの信号読出回路として、アモルファスシリコン（ａ−Ｓｉ）を半導体層に用いたTFTを選択した。厚さが０．２ｍｍのガラス基板上に、ゲート電極としてアルミニウムを５０ｎｍの厚さで形成した後に、プラズマＣＶＤ法によりゲート絶縁膜としてＳｉＮ膜を１５０ｎｍの厚さに、半導体層としてａ−Ｓｉ膜を１００ｎｍの厚さに連続して形成した。ａ−Ｓｉ膜を形成する際には、基板温度を３００℃に設定した。その後、ソース電極及びドレイン電極としてアルミニウムを１００ｎｍの厚さに形成し、画素電極としてITO薄膜を１５０ｎｍの厚さにスパッタ成膜してTFTを完成した。画素サイズは200×200μｍで、画素数は64×64とし、TFTの開口率(光透過率)は８３％である。 [Production of color imaging device]
(First image sensor)
A TFT using amorphous silicon (a-Si) as a semiconductor layer was selected as the signal readout circuit of the first photoelectric conversion element array. After forming aluminum as a gate electrode to a thickness of 50 nm on a glass substrate having a thickness of 0.2 mm, a SiN film as a gate insulating film is formed to a thickness of 150 nm by a plasma CVD method, and an a-Si film as a semiconductor layer Was continuously formed to a thickness of 100 nm. When forming the a-Si film, the substrate temperature was set to 300 ° C. Thereafter, aluminum was formed to a thickness of 100 nm as a source electrode and a drain electrode, and an ITO thin film was formed to a thickness of 150 nm as a pixel electrode to complete a TFT. The pixel size is 200 × 200 μm, the number of pixels is 64 × 64, and the aperture ratio (light transmittance) of the TFT is 83%.

光電変換素子として、Ｂの波長域にのみ感度を有する有機材料としてポルフィリン誘導体を用い、Ｇの波長域にのみ感度を有する有機材料としてペリレン誘導体を用い、Ｒにのみ感度を有する有機材料にはフタロシアニン誘導体をそれぞれ選択した。マスクを用いた真空蒸着法により上記光電変換材料の膜がベイヤー配列になるようにTFT基板上に蒸着して光電変換素子アレイを形成した。全ての材料層の厚さは１５ｎｍに統一し、その上にバッファ層としてナフタレン誘導体を２００ｎｍの厚さに一様に形成し、その上に厚さ２０ｎｍのITOの透明電極をスパッタ法により成膜した。これにより、第１の撮像素子が完成した。 As a photoelectric conversion element, a porphyrin derivative is used as an organic material having sensitivity only in the B wavelength region, a perylene derivative is used as an organic material having sensitivity only in the G wavelength region, and phthalocyanine is used as an organic material having sensitivity only in R. Each derivative was selected. A photoelectric conversion element array was formed by vapor deposition on the TFT substrate by a vacuum vapor deposition method using a mask so that the film of the photoelectric conversion material was in a Bayer array. The thickness of all the material layers is unified to 15 nm, and a naphthalene derivative is uniformly formed to a thickness of 200 nm as a buffer layer thereon, and a 20 nm thick ITO transparent electrode is formed thereon by sputtering. did. Thereby, the first image sensor was completed.

（第２の撮像素子）
第２の撮像素子として、一般的に用いられているCMOSイメージセンサを用いた。このCMOSイメージセンサの画素サイズ及び画素数は、第１の撮像素子と等しくし、画素サイズは200×200μｍとし、画素数は６４×６４画素とした。第１の撮像素子と第２の撮像素子とを各画素が互いに一致するように貼り合わせてカラー撮像装置が完成した。 (Second image sensor)
A commonly used CMOS image sensor was used as the second image sensor. The pixel size and the number of pixels of this CMOS image sensor were the same as those of the first image sensor, the pixel size was 200 × 200 μm, and the number of pixels was 64 × 64 pixels. The color imaging device was completed by pasting the first image sensor and the second image sensor so that the pixels coincided with each other.

［カラー撮像装置の特性］
第１の撮像素子の各光電変換素子の光透過率を図１１に示す。Ｂの波長域に感度を有する光電変換素子の吸収ピークは４００ｎｍ付近に位置し、Ｇの波長域に感度を有する光電変換素子の吸収ピークは５００ｎｍ付近に位置し、Ｒの波長域に感度を有する光電変換素子の吸収ピークは６２０ｎｍ付近に位置する。これら光電変換素子の吸収極大波長の透過率は、Ｂの波長域に感度を有する光電変換素子の透過率は７０％であり、Ｇの波長域に感度を有する光電変換素子の透過率は７２％であり、Ｒの波長域に感度を有する光電変換素子の透過率は６５％であった。 [Characteristics of color imaging device]
FIG. 11 shows the light transmittance of each photoelectric conversion element of the first image sensor. The absorption peak of the photoelectric conversion element having sensitivity in the B wavelength range is located near 400 nm, the absorption peak of the photoelectric conversion element having sensitivity in the G wavelength range is located near 500 nm, and has sensitivity in the R wavelength range. The absorption peak of the photoelectric conversion element is located around 620 nm. With respect to the transmittance at the absorption maximum wavelength of these photoelectric conversion elements, the transmittance of the photoelectric conversion element having sensitivity in the B wavelength range is 70%, and the transmittance of the photoelectric conversion element having sensitivity in the G wavelength range is 72%. The transmittance of the photoelectric conversion element having sensitivity in the R wavelength region was 65%.

図１２は第１の撮像素子の各光電変換素子の分光感度特性を示す。横軸は波長（ｎｍ）を示し、縦軸は光電流値（規格化された値）を示す。電極間に印加した電圧は１０Ｖである。Ｂの波長域に感度を有する光電変換素子の分光感度のピークは４００ｎｍ付近に位置し、Ｇの波長域に感度を有する光電変換素子のピークは５３０ｎｍ付近に位置し、Ｒの波長域に感度を有する光電変換素子のピークは、６００ｎｍ付近に位置した。この実験結果より、第１の撮像素子の各光電変換素子が波長選択性を有していることが確認された。また、各光電変換素子の量子効率（出力電子数／照射光子数）については、Ｂの波長域に感度を有する光電変換素子が０．０９（９％）であり、Ｇの波長域に感度を有する光電変換素子は０．１１（１１％）であり、Ｒの波長域に感度を有する光電変換素子は０．１（１０％）であった。尚、比較のために、第２の撮像素子の分光感度特性を破線で示す。第２の撮像素子の光電変換特性は、４００〜７００ｎｍの可視域においてほぼ均一な光電変換特性であった。 FIG. 12 shows the spectral sensitivity characteristics of the photoelectric conversion elements of the first image sensor. The horizontal axis indicates the wavelength (nm), and the vertical axis indicates the photocurrent value (standardized value). The voltage applied between the electrodes is 10V. The peak of the spectral sensitivity of the photoelectric conversion element having sensitivity in the B wavelength range is located near 400 nm, the peak of the photoelectric conversion element having sensitivity in the G wavelength range is located near 530 nm, and the sensitivity in the R wavelength range. The peak of the photoelectric conversion element was located near 600 nm. From this experimental result, it was confirmed that each photoelectric conversion element of the first image sensor has wavelength selectivity. Moreover, about the quantum efficiency (the number of output electrons / irradiation photon number) of each photoelectric conversion element, the photoelectric conversion element which has sensitivity in the B wavelength range is 0.09 (9%), and the sensitivity is in the G wavelength range. The photoelectric conversion element had 0.11 (11%), and the photoelectric conversion element having sensitivity in the R wavelength range was 0.1 (10%). For comparison, the spectral sensitivity characteristic of the second image sensor is indicated by a broken line. The photoelectric conversion characteristics of the second image sensor were almost uniform photoelectric conversion characteristics in the visible range of 400 to 700 nm.

第１の撮像素子からの出力信号を色信号とし、第２の撮像素子からの出力信号を輝度信号としてカラー撮像を行った。比較例として、第２の撮像素子と同一構造のものを用い、その前面にカラーフィルタをベイヤー配置した従来のカラー撮像装置を作成して比較実験を行った。同一の撮像条件で同一の被写体を撮像したところ、色再現性については、本発明によるカラー撮像装置と比較例のカラー撮像装置はほぼ同等の再現性が得られた。しかし、感度特性に関しては、本発明によるカラー撮像装置は、比較例のカラー撮像装置よりも２．１倍感度が高いことが確認された。 Color imaging was performed using the output signal from the first image sensor as a color signal and the output signal from the second image sensor as a luminance signal. As a comparative example, a comparative color experiment was performed using a conventional color imaging device having the same structure as that of the second imaging device and a Bayer arrangement of color filters on the front surface thereof. When the same subject was imaged under the same imaging conditions, the color imaging device according to the present invention and the color imaging device of the comparative example were almost the same in terms of color reproducibility. However, regarding the sensitivity characteristics, it was confirmed that the color imaging device according to the present invention was 2.1 times more sensitive than the color imaging device of the comparative example.

ベイヤー配列のカラーフィルタを示す図である。It is a figure which shows the color filter of a Bayer arrangement. ベイヤー配列のカラーフィルタの一部のフィルタ素子を全色透過フィルタで置換した例を示す図である。It is a figure which shows the example which substituted the filter element of a part of color filter of a Bayer arrangement | sequence with the all-color transmission filter. 本発明によるカラー撮像装置の基本概念を説明するための図である。It is a figure for demonstrating the basic concept of the color imaging device by this invention. 第1の光電変換素子アレイの作用を説明するための図である。FIG. 6 is a diagram for explaining the operation of the first photoelectric conversion element array. ＲＧＢの各光電変換素子の透過率の波長依存性を示すグラフである。It is a graph which shows the wavelength dependence of the transmittance | permeability of each photoelectric conversion element of RGB. 本発明によるカラー撮像装置の一例を示す線図的断面図である。1 is a diagrammatic sectional view showing an example of a color imaging apparatus according to the present invention. TFTアレイの基本構造を示す線図的平面図である。It is a diagrammatic plan view showing a basic structure of a TFT array. 本発明によるカラー撮像装置の変形例を示す線図的断面図である。FIG. 6 is a schematic cross-sectional view showing a modification of the color imaging device according to the present invention. 本発明によるカラー撮像装置の別の変形例を示す線図的断面図である。FIG. 9 is a diagrammatic sectional view showing another modification of the color imaging device according to the present invention. 本発明によるカラー撮像装置の別の変形例を示す線図的断面図である。FIG. 9 is a diagrammatic sectional view showing another modification of the color imaging device according to the present invention. 実施例で製作したカラー撮像装置の第１の光電変換素子アレイの各素子の光透過率の波長依存性を示すグラフである。It is a graph which shows the wavelength dependence of the light transmittance of each element of the 1st photoelectric conversion element array of the color imaging device manufactured in the Example. 実施例で製作したカラー撮像装置の光電変換素子の光電変換特性を示すグラフである。It is a graph which shows the photoelectric conversion characteristic of the photoelectric conversion element of the color imaging device manufactured in the Example.

Explanation of symbols

１０第１の光電変換素子アレイ
１１第２の光電変換素子アレイ
２０第１の撮像素子
２１透明電極層
２２光電変換素子アレイ
２３画素電極
２４読出回路
３０第２の撮像素子
３１半導体基板
３２光電変換素子
３３電荷転送電極
３４遮光膜
４１ゲート電極
４２半導体層
４３ソース電極
４４ドレイン電極
５１透明膜
５２マイクロレンズアレイ
６０シリコン基板
６１ CMOS部
６２受光素子
６３透明膜
６４ TFTアレイ
６５画素電極
６６透明電極層
７０導体
７１電荷蓄積部
７２遮光部 10 1st photoelectric conversion element array 11 2nd photoelectric conversion element array
20 First image pickup device 21 Transparent electrode layer 22 Photoelectric conversion device array 23 Pixel electrode 24 Read circuit 30 Second image pickup device 31 Semiconductor substrate 32 Photoelectric conversion device 33 Charge transfer electrode 34 Light shielding film 41 Gate electrode 42 Semiconductor layer 43 Source electrode 44 Drain electrode 51 Transparent film 52 Micro lens array 60 Silicon substrate 61 CMOS part 62 Light receiving element 63 Transparent film 64 TFT array 65 Pixel electrode 66 Transparent electrode layer 70 Conductor 71 Charge storage part 72 Light shielding part

Claims

A first photoelectric conversion element array in which light-transmitting photoelectric conversion elements each having a peak sensitivity of photoelectric conversion characteristics in each wavelength region of R, G, and B are arranged in a two-dimensional array;
Photoelectric conversion elements having substantially uniform photoelectric conversion characteristics in the wavelength range of visible light are arranged in a two-dimensional array, and each photoelectric conversion element receives a transmitted light that has passed through the first photoelectric conversion element array. A photoelectric conversion element array;
A readout circuit for reading out electric charges generated in each photoelectric conversion element of the first and second photoelectric conversion element arrays,
A color imaging apparatus, wherein a signal read from the first photoelectric conversion element array is output as a color signal, and a signal read from the second photoelectric conversion element array is output as a luminance signal.

2. The color imaging device according to claim 1, wherein each photoelectric conversion element of the first photoelectric conversion element array has a light transmittance of 50 to 90% at an absorption maximum wavelength.

3. The color imaging device according to claim 1, wherein the photoelectric conversion element of the first photoelectric conversion element array is formed of a light-transmitting organic compound material, and the photoelectric conversion element of the second photoelectric conversion element array. Is a color image pickup device made of a silicon-based material.

4. The color imaging device according to claim 1, wherein a microlens array is disposed between the first photoelectric conversion element array and the second photoelectric conversion element array, and the first photoelectric conversion apparatus is arranged. A color imaging apparatus configured to condense transmitted light transmitted through each photoelectric conversion element of a conversion element array onto a corresponding photoelectric conversion element of a second photoelectric conversion element array.

A second imaging element formed on the substrate, an optically transparent transparent film formed on the second imaging element, and a first imaging element formed on the transparent film,
The first imaging element includes a first photoelectric conversion element array in which light-transmitting photoelectric conversion elements each having a peak sensitivity in each of the R, G, and B wavelength ranges are arranged in a two-dimensional array; A first readout circuit that reads out the electric charge generated in each photoelectric conversion element of one photoelectric conversion element array;
In the second imaging element, photoelectric conversion elements having substantially uniform photoelectric conversion characteristics in a visible light wavelength range are arranged in a two-dimensional array, and each photoelectric conversion element transmits the first photoelectric conversion element array. A second photoelectric conversion element array that receives the transmitted light through the transparent film, and a second readout circuit that reads out the electric charge generated in each photoelectric conversion element of the second photoelectric conversion element array,
A color imaging apparatus, wherein a signal read from the first photoelectric conversion element array is output as a color signal, and a signal read from the second photoelectric conversion element array is output as a luminance signal.