JP6139610B2

JP6139610B2 - 緑色減算用の赤外線透過フィルターを用いた撮像センサ

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Publication number: JP6139610B2
Application number: JP2015162249A
Authority: JP
Inventors: 唯科王
Original assignee: VisEra Technologies Co Ltd
Current assignee: VisEra Technologies Co Ltd
Priority date: 2015-05-20
Filing date: 2015-08-19
Publication date: 2017-05-31
Anticipated expiration: 2035-08-19
Also published as: TW201642454A; JP2016219767A; TWI566391B; CN106298821A; US9425227B1

Description

本発明は、撮像センサに関し、よりよいカラーバランスのための赤色、緑色、および青色カラーフィルター、ならびに赤外線（ＩＲ）透過フィルターを含む撮像装置に関するものである。

従来のカラーイメージャ、イメージセンサ、および画素化された撮像アレイ（ｐｉｘｅｌａｔｅｄｉｍａｇｉｎｇａｒｒａｙｓ）は、赤−緑−緑−青（Ｒ−Ｇ−Ｇ−Ｂ）画素／フィルター構成からなるベイヤーパターンの画素および画素フィルターを有している（図１に図示されている）。このような画素化アレイでは、センサは、赤色、緑色、または青色を透過させる、個別の画素上に配置された、または画素上にコーティングされた個別の光フィルターを含む。“赤色画素”１２ａ、“青色画素”１２ｂ、および２つの“緑色画素”１２ｃは、２×２のサブアレイ１０を形成するように配置されており、このようなサブアレイ１０が画素化アレイ上で繰り返すように配置されている。

３つのカラーフィルター（Ｒ、Ｇ、およびＢ）は、赤色、緑色、および青色に対応する波長範囲またはスペクトル帯域の光線を透過させるだけでなく、赤外線（ＩＲ）または近赤外線（ＮＩＲ）の波長範囲またはスペクトル帯域における光線を大きく透過させる。従って、赤色、緑色、および青色画素を有していても、カラーイメージャの感度または量子効率のスペクトルは、通常、赤外線（ＩＲ）または近赤外線（ＮＩＲ）において高い応答性を有する。例えば、従来のシリコンＣＭＯＳカラーセンサのスペクトル応答が図２に示されている。Ｒ、Ｇ、およびＢ画素（例えば、曲線２１０、２２０、および２３０）のスペクトル応答は、可視スペクトルの画素の応答と同等かそれ以上である。従って、環境からの赤外線の光は、可視スペクトルの色応答をウォッシュアウト（ｗａｓｈ−ｏｕｔ）する可能性があり、画像色再現を歪める可能性がある。これは、しばしばＩＲコンタミネーション（ＩＲｃｏｎｔａｍｉｎａｔｉｏｎ）と呼ばれる。

従来のカラーカメラでは、忠実な色画像を再現するために、赤外カットフィルタとして、赤外線の帯域またはスペクトルの範囲にある光線またはエネルギーをカットまたは低減するものが通常用いられている。これは、ＩＲコンタミネーションを低減、制限、または実質的になくすために、可視光（例えば、３９０ｎｍ〜７００ｎｍの波長を有する光）だけが（または実質的に可視光だけが）、フィルターを透過して、ＲＧＧＢ画素で撮像されるようにするためである。このようなＩＲカットフィルタは、通常、ガラス（例えば平板ガラス）またはプラスチック素子に多層コーティングして形成されており、イメージャのレンズアセンブリまたはイメージャのレンズアセンブリのレンズ素子の表面上に加えられている。コーティングプロセスおよび加えられた材料は、レンズのコストを大幅に増加させることもある。

詳細な説明は、添付の図面と併せて以下の実施形態で説明する。

撮像センサが提供される。撮像センサは、入射光の特定の色成分を抽出するために用いられるフィルターアレイ、およびフィルターアレイを介して入射光を受信する光電素子を含む。フィルターアレイは、緑色成分を抽出する緑色フィルター、赤色成分を抽出する赤色フィルター、青色成分を抽出する青色フィルター、および緑色成分のための第１の赤外線成分を抽出する第１の赤外線フィルターを含む。第１の赤外線フィルターは、緑色フィルターと特定の波長の赤外線ハイパスフィルタによって構成される。

添付の図面とともに以下の本発明の様々な実施形態の詳細な説明を検討することで、本発明をより完全に理解することができる。
従来のベイヤーパターンの図である。シリコンＣＭＯＳＲＧＢカラーセンサのスペクトル応答の図である。本発明の実施形態に係る、ＩＲＰ４Ｇｄフィルターのスペクトル図である。本発明の実施形態に係る、第１のカラーモザイクパターンの配置の図である。本発明のもう１つの実施形態に係る、第２のカラーモザイクパターンの配置の図である。本発明の第１の実施形態に係る、撮像センサの断面図である。本発明のもう１つの実施形態に係る、撮像センサの断面図である。本発明のまたもう１つの実施形態に係る撮像センサの断面図である。

以下の説明では、本発明を実施するベストモードを開示している。この説明は、本発明の一般原理を例示する目的のためのものであり、本発明を限定するものではない。本発明の範囲は、添付の請求の範囲を参考にして決定される。

図３は、本発明の実施形態に係る、ＩＲＰ４Ｇｄフィルターのスペクトル図である。本発明のＩＲＰ４Ｇｄフィルターは、緑色フィルターと赤外線透過フィルター（ハイパスフィルタ）のスペクトルを混合するように設計され、６５０ｎｍより長い波長を有する光線を透過させる（以下、ＩＲ−ｐａｓｓ＠６５０ｎｍともいう。）。例えば、緑色フィルターと赤外線透過フィルターのスペクトルは、図３の曲線３１０と３２０として示される。ＩＲＰ４Ｇｄフィルターのスペクトルは、図３の曲線３３０として示される。ＩＲＰ４Ｇｄフィルターは、２つの方式、例えば、緑色フィルターおよびＩＲ−ｐａｓｓ＠６５０ｎｍフィルターを積層して、または緑色フィルターとＩＲ−ｐａｓｓ＠６５０ｎｍフィルターの材料を混合して単一の材料として実装することができる。

本発明に提供された減色（ｃｏｌｏｒｓｕｂｔｒａｃｔｉｏｎ）アルゴリズムでは、緑色、赤色、または青色チャネルのスペクトルを、以下の通りに表すことができる。
Ｓ_Ｇ−Ｓ_{ＩＲＰ４Ｇｄ}＝Ｓ_Ｇ’Ｖ
Ｓ_Ｒ−Ｓ_{ＩＲＰ４Ｒｄ}＝Ｓ_Ｒ’Ｖ
Ｓ_Ｂ−Ｓ_{ＩＲＰ４Ｂｄ}＝Ｓ_Ｂ’Ｖ

Ｓ_Ｇ、Ｓ_Ｒ、およびＳ_Ｂは、緑色、赤色、または青色チャネルの元の信号を示しており、Ｓ_{ＩＲＰ４Ｇｄ}は、緑色減算（ｄｅｄｕｃｔｉｏｎ）用のＩＲ透過フィルターの信号を示しており、Ｓ_{ＩＲＰ４Ｒｄ}は、赤色減算用のＩＲ透過フィルターの信号を示しており、Ｓ_{ＩＲＰ４Ｂｄ}は、青色減算用のＩＲ透過フィルターの信号を示している。また、Ｓ_Ｇ’Ｖ、Ｓ_Ｒ’Ｖ、Ｓ_Ｂ’Ｖは、緑色、赤色、または青色チャネル用に調整された（カラーバランスのとれた）信号をそれぞれ示している。具体的には、赤外線信号Ｓ_{ＩＲＰ４Ｇｄ}、Ｓ_{ＩＲＰ４Ｒｄ}、Ｓ_{ＩＲＰ４Ｂｄ}を、緑色、赤色、または青色チャネルからそれぞれ差し引く。従って、本発明では、イメージセンサの前方に追加の赤外線カットフィルタが必要でないため、全体的な撮像センサのコストが減少され、カメラモジュールの厚さもより薄くすることができる。

上述のように、ＩＲＰ４Ｇｄフィルターは、ＩＲ−ｐａｓｓ＠６５０ｎｍフィルターおよび緑色フィルターを積層して、またはＩＲ−ｐａｓｓ＠６５０ｎｍフィルターと緑色フィルターの材料を混合して実装することができる。また、ＩＲＰ４Ｒｄフィルターは、ＩＲ−ｐａｓｓ＠６５０ｎｍフィルターで実装することができ、ＩＲＰ４Ｂｄフィルターは、８００ｎｍより長い波長を有する光線を透過させるＩＲ−ｐａｓｓフィルター（以下、ＩＲ−ｐａｓｓ＠８００ｎｍともいう。）で実装することができる。しかも、ＩＲ−ｐａｓｓ＠８００ｎｍフィルター（ハイパスフィルタ）は、赤色と青色フィルターの材料を混合して容易に実装することができる。

本発明の撮像センサは、半導体基板に配列、配置、または設置された複数の光感知ピクセルまたは光電素子を有し、二次元状に画素化された撮像アレイを含む。例えば、撮像アレイは、相補型金属酸化物半導体（ＣＭＯＳ）もしくはＣＣＤ撮像センサ、または同様の装置を含むことができる。詳細は、後述の実施形態で参照することができる。

図４Ａは、本発明の実施形態に係る、第１のカラーモザイクパターンの配置の図である。図４Ａに示されるように、赤外線減算アルゴリズムを用いることで、異なる赤外線画素（例えば、ＩＲＰ４Ｒｄ、ＩＲＰ４Ｇｄ、ＩＲＰ４Ｂｄ）を、アレイユニット４００の異なる位置に配置することができる。例えば、アレイユニット４００Ａは、水平方向に隣接した３つのカラーパターン４１０、４２０、４３０を含む。カラーパターン４１０は、Ｒ、Ｇ、ＢフィルターおよびＩＲＰ４Ｂｄフィルターを含む。カラーパターン４２０は、Ｒ、Ｇ、ＢフィルターおよびＩＲＰ４Ｒｄフィルターを含む。カラーパターン４３０は、Ｒ、Ｇ、ＢフィルターおよびＩＲＰ４Ｇｄフィルターを含む。カラーパターン４１０、４２０、４３０は、それぞれ単独で用いることができる。

図４Ｂは、本発明のもう１つの実施形態に係る、第２のカラーモザイクパターンの配置の図である。選択的に、カラーパターンを、２×２ウィンドウ（ｗｉｎｄｏｗ）を有するアレイユニット４００で配置することができる。アレイユニット４００Ｂは、カラーパターン４４０、４５０、４６０、および４７０を含む。カラーパターン４４０、４５０、および４６０は、図４Ａに示されたカラーパターン４１０、４２０、および４３０と同様の構成である。一方で、カラーフィルター４７０は、透明（ｔｒａｎｓｐａｒｅｎｔ）画素４７１（即ち、ｃｌｅａｒ画素）を有している。

図５は、本発明の第１の実施形態に係る撮像センサの断面図である。撮像センサ５００は、半導体基板５１０、第１の層５２０、および第２の層５３０を含む。異なるカラーチャネルの光電素子５１１〜５１６（例えば、緑色、赤色、青色、ＩＲＰ４Ｒｄ、ＩＲＰ４Ｇｄ、およびＩＲＰ４Ｂｄ色）は、半導体基板５１０上に実装される。第１の層５２０上の左から右のカラーフィルターの順序は、緑色フィルター５２１、赤色フィルター５２２、青色フィルター５２３、ＩＲＰ４Ｒｄフィルター５２４、赤色フィルター５２５、および緑色フィルター５２６である。第２の層５３０は、透明材料５３１、青色フィルター５３２、およびＩＲＰ４Ｒｄフィルター５３３を含む。透明材料５３１は、コーティング面を平坦にするために、フィルター５２１〜５２４をカバーする。青色フィルター５３２は、赤色フィルター５２５をカバーし、青色フィルター５３２と赤色フィルター５２５とを積層することで、８００ｎｍより長い波長を有する光線を透過するＩＲＰ４Ｂｄフィルター（即ち、青色＋赤色）が形成される。ＩＲＰ４Ｒｄフィルター５３３は、緑色フィルター５２６をカバーし、ＩＲＰ４Ｒｄフィルター５３３と緑色フィルター５２６を積層することで、６５０ｎｍより長い波長を有する光線を透過するＩＲＰ４Ｇｄフィルターが形成される。

具体的には、例えば、赤色、緑色、青色、ＩＲＰ４Ｇｄ、ＩＲＰ４Ｒｄ、およびＩＲＰ４Ｂｄフィルターの６つのタイプのカラーフィルターがあるが、撮像センサ５００を製造する際に、上述した６つの材料を、実際には４つの素材に単純化することができる。例えば、青色フィルター５３２は、赤色フィルター５２５に配置され、ＩＲＰ４Ｒｄフィルターは緑色フィルター５２６に配置されるため、カラーフィルターの製造順序は、緑色フィルター、赤色フィルター、青色フィルター、ＩＲＰ４Ｒｄフィルターとすることができる。上述のカラーフィルターを実装した後に、塗膜平坦（ｆｌａｔｎｅｓｓｏｆｃｏａｔｉｎｇ；ＦＯＣ）処理により、平坦面を形成するための透明材料５３１が、フィルター５２１〜５２４上に配置される。

図６は、本発明のもう１つの実施形態に係る、撮像センサの断面図である。撮像センサ６００は、半導体基板６１０、第１の層６２０、および第２の層６３０を含む。異なるカラーチャネルの光電素子６１１〜６１６（例えば、緑色、赤色、青色、ＩＲＰ４Ｒｄ、ＩＲＰ４Ｇｄ、およびＩＲＰ４Ｂｄ）が、半導体基板６１０上に実装される。第１の層６２０上の左から右のカラーフィルターの順序は、緑色フィルター６２１、赤色フィルター６２２、青色フィルター６２３、ＩＲＰ４Ｒｄフィルター６２４、青色フィルター６２５、および緑色フィルター６２６である。第２の層６３０は、透明材料６３１、赤色フィルター６３２、およびＩＲＰ４Ｒｄフィルター６３３を含む。透明材料６３１は、コーティング面を平坦にするために、フィルター６２１〜６２４をカバーする。青色フィルター６３２は、赤色フィルター６２５をカバーし、赤色フィルター６３２と青色フィルター６２５とを積層することで、８００ｎｍより長い波長を有する光線を透過するＩＲＰ４Ｂｄフィルター（即ち、青色＋赤色）が形成される。ＩＲＰ４Ｒｄフィルター６３３は、緑色フィルター６２６をカバーし、ＩＲＰ４Ｒｄフィルター６３３と緑色フィルター６２６とを積層することで、６５０ｎｍより長い波長を有する入射光を透過するＩＲＰ４Ｇｄフィルターが形成される。

撮像センサ６００は、撮像センサ５００と同様の構成を有する。撮像センサ５００と６００の違いは、ＩＲＰ４Ｂｄフィルターの積層方法が異なることである。例えば、青色フィルター５３２は、図５に示されるように、撮像センサ５００の赤色フィルター５２５上に配置されているが、赤色フィルター６３２は、図６に示されるように、撮像センサ６００の青色フィルター６２５上に配置される。

図７は、本発明のまたもう１つの実施形態に係る、撮像センサの断面図である。撮像センサ５００と６００の製造プロセスに用いられる材料は、４つの素材（例えば、Ｒ、Ｇ、Ｂ、およびＩＲＰ４Ｒｄ）に単純化することができるが、６つの素材を撮像センサ５００と６００に用いることもできる。例えば、Ｒ、Ｇ、Ｂ、およびＩＲＰ４Ｒｄの４つのカラーチャネルの素材の他に、ＩＲＰ４ＧｄおよびＩＲＰ４Ｂｄのカラーチャネルの素材も、撮像センサ７００に用いることができる。言い換えれば、青色フィルターと赤色フィルターの素材を混合することで、ＩＲＰ４Ｂｄチャネルの素材を生成することができる。また、緑色フィルターとＩＲＰ４Ｒｄフィルターの素材を混合することで、ＩＲＰ４Ｇｄチャネルの素材を生成することができる。撮像センサ７００は、半導体基板７１０と、第１の層７２０を含む。異なるカラーチャネルの光電素子７１１〜７１６（例えば、緑色、赤色、青色、ＩＲＰ４Ｒｄ、ＩＲＰ４Ｂｄ、およびＩＲＰ４Ｇｄ色）は、半導体基板７１０上に実装される。第１の層７２０上のカラーフィルターの順序は、左から右に、緑色フィルター７２１、赤色フィルター７２２、青色フィルター７２３、ＩＲＰ４Ｒｄフィルター６２４、ＩＲＰ４Ｂｄフィルター７２５、およびＩＲＰ４Ｇｄフィルター７２６である。ＩＲＰ４Ｂｄフィルター（即ち、青色＋赤色）は、８００ｎｍより長い波長を有する光線を透過させ、ＩＲＰ４Ｇｄフィルターは、６５０ｎｍより長い波長を有する入射光を透過させる。

以上のように、撮像センサが提供される。撮像センサは、緑色減算用の赤外線フィルターＩＲＰ４Ｇｄを含み、ＩＲＰ４Ｇｄフィルターは、緑色フィルターと６５０ｎｍハイパス赤外線フィルターの材料を混合または積層することで実装されている。ＩＲＰ４Ｇｄフィルターの材料を用いることで、赤色および青色減算用の赤外線フィルターを、現存する赤色フィルター、青色フィルター、およびＩＲＰ４Ｇｄフィルターを用いて実装することができるため、各カラーチャネル（例えば、赤色、緑色、青色）は、各自の減算チャネルを有することができる。従って、本発明の画像センサでは、緑色、赤色、青色チャネルのよりよいカラーバランスを提供することができる。また、本発明では、イメージセンサの前方に追加の赤外線カットフィルタが不要となるため、全体的な撮像センサのコストが減少され、カメラモジュールの厚さもより薄くすることができる。

本発明は、実施例の方法及び望ましい実施の形態によって記述されているが、本発明は開示された実施形態に限定されるものではない。逆に、本発明は、当業者に自明な種々の設計変更及び均等物をカバーするものである。よって、添付の請求の範囲は、最も広義な解釈が与えられ、このような全ての設計変更及び均等物を含むべきである。

１２ａ・・・赤色画素
１２ｂ・・・青色画素
１２ｃ・・・緑色画素
１０・・・サブアレイ
２１０〜２３０、３１０〜３３０・・・曲線
４００Ａ、４００Ｂ・・・アレイユニット
４１０、４２０、４３０、４４０、４５０、４６０、４７０・・・カラーパターン
４７１・・・透明画素
５００、６００、７００・・・撮像センサ
５１０、６１０、７１０・・・半導体基板
５２０、６２０、７２０・・・第１の層
５３０、６３０・・・第２の層
５１１〜５１６、６１１〜６１６、７１１〜７１６・・・光電素子
５２１〜５２６、５３２、５３３、６２１〜６２６、６３２、６３３、７２１〜７２６・・・フィルター
５３１、６３１・・・透明材料

Claims

入射光の複数の色成分を抽出するフィルターアレイ、および
前記フィルターアレイを介して入射光を受信する光電素子を含み、
前記フィルターアレイは、
前記複数の色成分から緑色成分を抽出する緑色フィルター、
前記複数の色成分から赤色成分を抽出する赤色フィルター、
前記複数の色成分から青色成分を抽出する青色フィルター、
第１の赤外線成分を抽出する第１の赤外線フィルター、
第２の赤外線成分を抽出する第２の赤外線フィルター、および
第３の赤外線成分を抽出する第３の赤外線フィルターを含み、
前記第１の赤外線フィルターは、前記緑色フィルターの材料と特定の波長の赤外線ハイパスフィルタの材料を含み、
前記第１、第２、および第３の赤外線成分は、前記緑色成分、前記青色成分、および前記赤色成分から抽出され、カラーバランスのとれた緑色、青色、および赤色成分をそれぞれ得るための赤外線成分である
撮像センサ。
前記特定の波長は、６５０ｎｍであり、
前記第１の赤外線フィルターは、前記緑色フィルターと前記赤外線ハイパスフィルタの材料を混合して実装される請求項１に記載の撮像センサ。
前記特定の波長は、６５０ｎｍであり、
前記第１の赤外線フィルターは、前記緑色フィルターと前記赤外線ハイパスフィルタを積層して実装される請求項１に記載の撮像センサ。
前記第２の赤外線フィルターは、前記赤色フィルターの材料と前記青色フィルターの材料を混合して実装され、
前記第２の赤外線フィルターは、８００ｎｍより長い波長を有する入射光を透過させる赤外線パスフィルターである請求項１に記載の撮像センサ。
前記第２の赤外線フィルターは、前記赤色フィルターと前記青色フィルターとを積層して実装され、
前記第２の赤外線フィルターは、８００ｎｍより長い波長を有する入射光を透過させる赤外線パスフィルターである請求項１に記載の撮像センサ。
前記第３の赤外線フィルターは、前記赤外線ハイパスフィルタで実装され、
前記第１の赤外線フィルターは、前記緑色フィルターと前記第３の赤外線フィルターを積層、または前記緑色フィルターの材料と前記第３の赤外線フィルターの材料を混合して実装される請求項１に記載の撮像センサ。
前記フィルターアレイは、水平方向に隣接した３つのアレイユニットを更に含み、
前記３つのアレイユニットのうち第１のアレイユニットは、前記緑色フィルター、前記赤色フィルター、前記青色フィルター、および前記第１の赤外線フィルターを含み、
前記３つのアレイユニットのうち第２のアレイユニットは、前記緑色フィルター、前記赤色フィルター、前記青色フィルター、および前記第２の赤外線フィルターを含み、
前記３つのアレイユニットのうち第３のアレイユニットは、前記緑色フィルター、前記赤色フィルター、前記青色フィルター、および前記第３の赤外線フィルターを含む請求項１に記載の撮像センサ。
前記フィルターアレイは、２×２ウィンドウで配置された４つのアレイユニットを更に含み、前記４つのアレイユニットは、第１のアレイユニット、第２のアレイユニット、第３のアレイユニット、および第４のアレイユニットを含み、
前記第１のアレイユニットは、前記緑色フィルター、前記赤色フィルター、前記青色フィルター、および前記第１の赤外線フィルターを含み、
前記第２のアレイユニットは、前記緑色フィルター、前記赤色フィルター、前記青色フィルター、および前記第２の赤外線フィルターを含み、
前記第３のアレイユニットは、前記緑色フィルター、前記赤色フィルター、前記青色フィルター、および前記第３の赤外線フィルターを含み、
前記第４のアレイユニットは、前記緑色フィルター、前記赤色フィルター、前記青色フィルター、および透明画素を含む請求項１に記載の撮像センサ。