JPH06204445A - 光センサ及びそれを有する画像情報処理装置 - Google Patents

光センサ及びそれを有する画像情報処理装置

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JPH06204445A
JPH06204445A JP5015086A JP1508693A JPH06204445A JP H06204445 A JPH06204445 A JP H06204445A JP 5015086 A JP5015086 A JP 5015086A JP 1508693 A JP1508693 A JP 1508693A JP H06204445 A JPH06204445 A JP H06204445A
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signal
optical sensor
light
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JP5015086A
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Akira Ishizaki
明 石崎
Itsuo Ozu
逸男 大図
Shigetoshi Sugawa
成利 須川
Mamoru Miyawaki
守 宮脇
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Abstract

(57)【要約】 本発明は非可視光領域の光信号を電気信号に変換する第
1の光電変換要素の上に可視光領域の光信号を電気信号
に変換する第2の光電変換素子を積層したことを特徴と
する光センサであり、これにより広い波長領域の光信号
を検出できる小型のセンサを提供できる。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、ファクシミリ、イメー
ジスキャナー、複写機等の画像情報処理装置に用いられ
る光センサに関し、特に、可視光だけではなく非可視光
領域の光信号を電気信号に変換する光センサに関連す
る。
【0002】
【背景技術の説明】従来の光センサである固体撮像装置
としては、電荷結合素子(CCD)型、MOS型或いは
発明者大見忠弘及び田中信義に付与された米国特許第
4,791,469号の明細書に記載されている光トラ
ンジスタのエミッタに容量負荷を接続した増幅型の装置
が知られている。
【0003】最近ではその用途も多様化しており、新し
い機能をもつ固体撮像装置が要求されている。
【0004】例えば、複写機の高画質化、カラー化に加
えて、目に見えない画像を認識し、それを再生し記録す
ることが要求されてきている。そのような画像即ち非可
視光画像としては例えば、赤外線を吸収する特性をもつ
インクで形成された画像等がある。
【0005】
【発明が解決しようとする技術課題】一般に非可視光を
検出するセンサは個別デバイスであり画像等の検出を、
可視光検出用のセンサと併せて用いるには何らかの新し
い設計思想が必要となる。
【0006】本発明者らは基本的な設計思想としてま
ず、可視光検出用のセンサと非可視光検出用のセンサと
をモノリシックに一つの半導体チップに収めるという技
術を見出した。
【0007】しかしながら、上記技術には更なる改善の
余地が残されている。
【0008】
【発明の目的】本発明の目的は、可視光から非可視光に
亘る広い波長領域の光信号を電気信号に変換することの
できる小型の光センサ及びそれを有する画像情報処理装
置を提供することにある。
【0009】上述した本発明の目的は、非可視光領域の
光信号を電気信号に変換する第1の光電変換要素の上に
可視光領域の光信号を電気信号に変換する第2の光電変
換要素を積層したことを特徴とする光センサ及び非可視
光領域の光信号を第1の電気信号に変換する第1の光電
変換要素の上に可視光領域の光信号を第2の電気信号に
変換する第2の光電変換要素を積層した光センサと、前
記第1の電気信号を基準信号を基に判別する判別手段
と、前記第2の電気信号に基づき画像を形成する画像形
成手段と、前記判別手段の出力に基づいて前記画像形成
手段の動作を制御する制御手段と、を具備することを特
徴とする画像情報処理装置により達成される。
【0010】
【作用】本発明によれば、非可視光に選択的な感度を持
つセンサ要素の上に、可視光に選択的な感度を持つセン
サ要素を形成することによって、特別な光学手段を用い
たり、あるいは、特殊な配置をすることなく同じ位置の
可視光信号と、非可視光信号を読取ることができる。
【0011】
【好適な実施態様の説明】本発明は可視光用の光電変換
要素(可視光センサ)と非可視光用の光電変換要素(非
可視光センサ)とを積層するものである。従って、非可
視光領域と可視光領域との広い範囲での光信号の検出を
行うことができ、小型で高性能な光センサが得られる。
【0012】本発明の光電変換要素としては、ホトダイ
オードやホトトランジスタのような光起電力素子又は光
導電素子が好適に用いられる。そして、可視光領域の光
信号を電気信号に変換する光電変換要素としては、必要
な非可視光領域の光を透過し且つ可視光領域の光信号の
みを選択的に吸収することのできる材料からなる要素が
用いられる。
【0013】具体的には、必要な非可視光を透過し、且
つ白黒信号を得るためには、可視光領域としての400
nmから700nmに亘る波長領域に選択的な感度をも
つように、要素の構成材料を選択する。また、可視光領
域のなかでも特定の領域の光信号を得るためには必要な
非可視光を透過し、且つその特定の領域とに選択的に感
度をもつ材料で要素を構成するか、非可視光領域と該特
定の領域との光を選択的に透過するフィルターを要素に
具備させる。
【0014】そして、例えば赤色(R)、緑色(G)、
青色(B)のようなカラー信号を得るためには、R領域
(例えば580nmから700nmの波長領域)に選択
的な感度をもつ要素(R要素)、G領域(例えば480
nmから580nmの波長領域)に選択的な感度をもつ
要素(G要素)及びB領域(例えば400nmから48
0nmの波長領域)に選択的な感度をもつ要素(B要
素)の複数の種類の要素を用いる。
【0015】勿論この場合も、材料自体が上記R、G、
B各領域の光を選択的に吸収するもの、即ち、選択感度
をもつもので、且つ必要な非可視光を透過するもので各
要素を構成してもよいし、必要な非可視光を透過し且つ
R、G、Bの全ての領域に感度をもつ要素に必要な可視
光を透過し各R、G、B領域の光をそれぞれ選択的に透
過するフィルターを具備させて各要素を構成する。
【0016】一方非可視光領域の光信号を電気信号に変
換する光電変換要素としては、例えば紫外線又は赤外線
に対して選択的な感度をもつ要素が用いられる。この場
合も、材料自体が非可視光領域の光に対して選択的な感
度を持つもので要素を構成する。
【0017】又、本発明における、可視光領域、非可視
光領域又はR、G、Bの各波長領域は、波長の値によっ
て明確に区別されるものではなく、本発明に用いられる
光電変換要素は必要な各信号を得るために紫外、青色、
緑色、赤色、赤外各光を必要な量だけ光電変換し、不要
な光を実質的に光電変換しないように構成されていれば
よい。
【0018】本発明の光センサは、光電変換要素を周期
的に配列してカラーラインセンサ又はカラーエリアセン
サを構成することができる。好ましくは、カラー信号と
しての解像度における1画素がそれぞれR領域に選択的
な感度を有する要素(R要素)、G領域に選択的な感度
を有する要素(G要素)、B領域に選択的な感度を有す
る要素(B要素)を含むように構成する。
【0019】検出すべき光信号を発生するものとして
は、3次元映像又は2次元像があり、2次元像の代表的
な例は原稿などの平面画像である。従って原稿の画像を
読み取るようなシステムに用いる場合には原稿面を照明
するための照明手段を設けることが望ましい。このよう
な照明手段としては、発光ダイオードやキセノンラン
プ、ハロゲンランプ等の光源がある。光源としては検出
すべき光信号に応じて必要な波長領域の光を発生するも
のであればよい。
【0020】
【実施例】(実施例1)図1は本実施例1による光セン
サのある1方向からみた模式的断面図、図2は該センサ
の図1のXX′線による断面に対応した模式的断面図、
図3は該センサの回路図である。
【0021】図1は特にR要素、G要素、B要素、IR
要素を示しており、N型Si型基板1上にP型半導体層
2、n型半導体層4とを配しており、ここで赤外光を検
知する。
【0022】その上には薄い絶縁膜5、層間絶縁膜7、
9を介してTi等の画像電極10が設けられている。そ
の上にはR、G、B各要素共通の非単結晶半導体層とし
てのa−Si層11、P型Si層12、ITO等の透明
電極13が設けられ、ここで可視光を検知する。特にカ
ラーフィルター14が選択的に設けられることにより、
R要素、G要素、B要素が並んで配置されている。又、
15は必要に応じて設けられる遠赤外線カットフィルタ
ーである。 詳しくは、可視光はITO13/p−a−
Si12/a−Si11/Ti10の積層型Piショッ
トキー型フォトダイオードで受光され、
【0023】
【外1】 Ti10の厚さは150Å程とし、この厚さのTiの赤
外光透過率を30〜50%程に設計する。赤外光は単結
晶Si PN(2,4)ダイオードで受光する。s−S
i11の厚さは
【0024】
【外2】 より好ましくは5000Å〜1μmとする。個別電極は
Ti以外にもWorkFunoの小さいものならよい。
例えば、Cr,Taなどである。厚さは赤外光検出が充
分できる透過率(上限)、抵抗(下限)から決定され
る。
【0025】可視光と赤外光とから得られた電気信号は
個別のスイッチ素子であるトランジスタQNR、QNG、Q
NB及びQNIR によりアンプAM1、AM2を介して外部
に出力信号V1、V2として出力される。
【0026】トランジスタQNRはPウエル21、ソース
及びドレイン22、23及びゲート24、ソース・ドレ
イン電極25、26を有している。
【0027】一方、トランジスタQNIR はソース・ドレ
イン4、31、ゲート6を有しており、他のトランジス
タQNG、QNBもQNRと同じ構成である。
【0028】可視光及び赤外光を含む光信号(R信号、
G信号、B信号、IR信号)がセンサの受光部に照射さ
れると、可視光に基づく電気信号がホトダイオードP
R 、PG 、PB で発生し、赤外光に基づく電気信号がホ
トダイオードPIRで発生する。シフトトランジスタSR
2よりトランジスタQNR、QNG、QNBを順次オンするパ
ルス列φR 、φG 、φB が出力されて共通ラインL2上
にR、G、B信号がシリアルに出力される。一方、シフ
トレジスタSR1よりパルスφIRが出力されてIR信号
が共通ラインL1上に出力される。
【0029】このようにシリアルな可視光信号と独立し
て赤外光信号が得られるので、例えば赤外光と可視光と
の光学的MTFが異なるような場合に独立した処理を行
える。
【0030】図4は本発明の光センサの駆動方式の別の
例であり、各光信号に基づいた4つの信号は同時に4つ
のラインにパラレルに出力信号VR 、VG 、VB 、VIR
として出力される。これにより、4つの信号を高速で読
み出すことができる。図5は別の例であり、各光信号に
基づいた4つの信号は時系列的にシリアルに読み出され
る。これは、光センサの小型化をより一層進める場合に
有効な回路である。
【0031】(製造方法)N型単結晶Siウエハを基板
1として用意し、その上にエピタキシャル層を形成す
る。ここにイオン注入と熱処理とを行い、トランジスタ
QのPウエル21とIR用ホトダイオードのカソード2
とを形成する。又、導入する不純物を変えて分離領域3
を形成することにより、可視光信号とIR信号とのクロ
ストーク及びIR信号のオーバーフローによるブルーミ
ングを防止する。
【0032】ゲート絶縁膜用のSiO2 からなる薄い絶
縁膜5を形成後、ポリシリコンからなるゲート6、24
を形成し、その後イオン注入によりソース・ドレイン2
2、23、4、31を形成する。こうすればゲート端と
ソース・ドレイン端は自己整合する。
【0033】その後各電極25、26、8や層間絶縁膜
7、9を形成する。
【0034】次に可視光用のフォトダイオードをIR用
ダイオードの上に形成する。まず、Tiをスパッタリン
グしてから個別電極形状にパターニングする。次いで、
可視光を充分に吸収し、赤外光を透過するに充分な半導
体光電変換膜としての水素化a−Siグロー放電法によ
りを形成する。代表的な条件は以下の通り。
【0035】 ガス組成 SiH4 :10sccm,H2 :50scc
m 圧力 0.1Torr RFパワー 10W(13.56MHz) 基板温度 250℃ 堆積速度 1.1Å/sec このようにして得られたa−Si膜はハンドギャップが
1.73eV、暗導電率が6.1×10-12s/cmと
なる。
【0036】又、こうして得られたa−Si膜の分光特
性を単結晶Siのものと比べて図6に示す。次にSiH
4 とH2 に加えて、B26 又はBF3 を加えて非単結
晶のp型Si膜12を形成する。
【0037】後は、ITO13を形成した後、カラーフ
ィルター14をのせて光センサが完成する。
【0038】図7に上記a−Si膜11の透過率を遠赤
外カットフィルタ15の特性と共に示す。図中斜線部の
光が下方にあるIR用フォトダイオードに入射すること
になる。
【0039】(実施例2)本実施例は前述した実施例の
変形例であり、個別電極10の材料を除く、他の構成は
全て同じである。
【0040】本例ではTiに代えて非単結晶としてのn
型シリコン膜を電極材料として用いている。
【0041】本例によれば可視用フォトダイオードがP
IN構成となり、暗電流がより一層低減されるのに加
え、個別電極10によって赤外光が反射されたり吸収さ
れたりする量が減り、IR信号の感度向上に有効であ
る。
【0042】(実施例3)本例は実施例1の変形例であ
り、個別電極10とa−Si層11との間にn型シリコ
ン層16を個別に設けたものである。
【0043】その他の構成は実施例1と同じである。
【0044】(実施例4)本例は実施例1の変形例であ
り、個別電極とa−Si層11との間に非晶質炭化シリ
コン(a−SiC)層10を全面に設けたものである。
このa−SiC層としてはバンドギャップが2.1eV
のものを厚み500Å程として形成される。
【0045】本例によれば横方向の光電変換要素間の分
離特性が向上し、クロストークが抑制される。
【0046】その他の構成は実施例1と同じである。
【0047】(実施例5)本実施例は実施例1における
トランジスタQNR、QNG、QNB、QNIR を全てnMOS
トランジスタからバイポーラトランジスタに置き換えた
ものである。即ち、可視光用センサとしてa−Siホト
ダイオードを用い、赤外光用センサとしてnpnバイポ
ーラトランジスタのベースに光キャリアを蓄積し、エミ
ッタに接続された容量負荷に電圧としてIR信号を読み
出す。
【0048】本例の回路図を図12に示す。
【0049】(実施例6)図13は実施例5による光セ
ンサの回路構成を変形したものである。
【0050】各信号はバイポーラトランジスタTR 、T
G 、TB 、TIRのベースに蓄積される。そして、パルス
φT によりトランジスタQT がオンすると増幅された信
号が容量負荷CTに電圧として読み出される。その後は
シフトレジスタSRによりトランジスタQT2が同時にオ
ンして、各信号がパラレルに出力信号VR 、VG 、V
B 、VIRとして出力される。
【0051】トランジスタQPR、QPG、QPB、QPIR
びトランジスタQERはリセット用のトランジスタ、φ
T 、φER、φBRはパルス源、VER、VBR、VSS、VCC
基準電圧源である。
【0052】(実施例7)図4は実施例7による光セン
サの模式的断面図である。各符号で示される構成要素は
前述したものと同じである。異なる点はIR用のダイオ
ード(2、4)を3つの可視光用の要素のうち1つの下
にのみ形成し、残る両隣りの部分を素子分離領域3とし
た点である。これによりIR光電変換要素(2、4)間
に大きな素子分離領域が介在するのでIR信号のクロス
トークがより一層良好に抑えられる。
【0053】(実施例8)図15は本実施例による光セ
ンサを示す模式的断面図である。
【0054】非可視光である赤外光(IR)センサとし
ては基板101上に設けられた、電極102、バンドギ
ャップが1.40〜1.48eV程のアモルファスシリ
コンゲルマニウム(a−SiGe)層103、P型シリ
コン層104及び透明電極105からなるフォトダイオ
ードを用いている。
【0055】一方、可視光センサとしては絶縁膜106
上に設けられた個別電極107、バンドギャップが1.
65〜1.80eV程のa−Si層108、P型シリコ
ン層109及び透明電極110からなるフォトダイオー
ドを用いている。
【0056】図16は本例の光センサの感度分布を示す
ものであり、aに示す特性がバンドギャップが1.72
eVのa−Si層、bに示す特性がバンドギャップが
1.48eVのa−SiGe層、破線Cがバンドギャッ
プ1.40eVのa−SiGe層の特性を示している。
【0057】このように半導体の構成材料を変えること
により、積層型のセンサを構成することができる。
【0058】(実施例9)本実施例9は前出の図14に
示した光センサのうち可視光センサであるフォトダイオ
ード(10、11、12、13)の部分をアバランシェ
ホトダイオード(APD)に置換したものである。
【0059】その断面を図17に示す。
【0060】この例ではAPDとして光吸収層11とキ
ャリア増倍層111、112、113、114とを機能
的に分離した積層構造をもつものである。
【0061】115はキャリアの反対方向への注入を防
止し、可視光がそれより下方に入射しないように設けら
れた遮光兼ブロッキング層である。
【0062】層111〜114はそれぞれバンドギャッ
プが下側から上側に向かって連続的に小さくなっている
アモルファス半導体層であり、a−SixGeyCzの
組成比x:y:zを適宜変更することにより構成されて
いる。この部分では、伝導帯又は価電子帯のいずれか一
方に主たるエネルギー差が生じており該エネルギー差に
よって各層111〜114の界面近傍において、電子又
は正孔のイオン化が生じる。
【0063】図1に本発明の光センサを有する画像情報
処理装置のブロック図を示す。
【0064】光センサ1002は原稿のほぼ同一点をそ
れぞれR(レッド)、G(グリーン)、B(ブルー)、
それに加え約1000nm付近に感度を有する赤外成分
に分解して400dpiの画素密度で読み取る。
【0065】該センサー出力は白色板及び赤外光基準板
を用いて、いわゆるシェーディング補正を施され、各8
bitの画像信号として識別部1001及び画像処理部
1003に入力される。画像処理部1003は一般のカ
ラー複写機で行われる変倍、マスキング、OCR等の処
理を行い記録信号であるC、M、Y、Kの4色信号を生
成する。
【0066】一方識別部1001では本発明の特徴とす
る原稿中の特定パターンの検出を行い、その結果を記録
制御部1004に出力して必要に応じて、特定色による
ぬりつぶり等、記録信号に加工を加えて記録部1005
で記録紙上に記録し、あるいは記録動作を中止するなど
により忠実な画像再生を禁止する。
【0067】次に本発明で検出しようとする画像パター
ンについて図19、図20を用いて概説する。
【0068】図19は、可視領域ではほぼ透過し、80
0nm付近の赤外光を吸収する透明色素の分光特性を示
しており、例えば三井東圧化学(株)のSIR−159
等が代表的である。
【0069】図20は上記透明赤外吸収色素で構成され
る透明インクを用いて作られたパターン例である。すな
わち、ある特定の、すなわち赤外光を反射するインクa
で記録された三角形のパターンの上に1辺が約120μ
mの正方形の徴小パターンbを上記透明インクを用いて
印刷してある。同パターンは図で示す様に可視域ではほ
とんど同色であるためbのパターンは人の目では識別不
能であるが、赤外域において検出が可能となる。尚以後
の説明のために1例として約120μm□のパターンを
図示したが、400dpiでこのbの領域を読めば図示
するごとく約4画素の大きさとなる。尚該パターンの形
成法は、この例に限定されるものではない。
【0070】図21を用いてさらに図18の識別部10
01の詳細について説明する。図21の10−1〜10
−4はFiFoで構成される画像データ遅延部であり、
それぞれ32bit(8bit×4成分)の画像データ
を1ライン分づつ遅延する。
【0071】入力画像信号はまずフリップフロップ11
−1、11−2で2画素分遅延保持してAの画素データ
を、メモリ10−1、10−2で2ラインさらに遅延し
たCの画素データを、さらにFF11−3、11−4で
2画素分遅延させた注目画素データXを、FF11−
5、11−6で2画素分遅延させたBの画素データを同
様にしてDの画素データをそれぞれ同時に判定部111
2に入力する。ここで注目画素位置Xに対するその近傍
A、B、C、D4画素の位置関係は図22のごとくな
る。
【0072】即ち、今注目画素Xが図20のbの部分の
インクを読んでいたとするならば上記A、B、C、Dは
いずれもその周囲に位置するaパターンの画像を読んで
いることになる。
【0073】(判定アルゴリズム)今Aの画素信号を構
成するR成分をAR 、G成分をAG 、B成分をAB 、赤
外成分をAIRとし、同様にB、C、Dの各画素信号を構
成するR、G、B、IRの各成分を定義する。そして、
同色成分の平均値YR 、YG 、YB 、YIRを次式で求め
る。
【0074】
【外3】
【0075】目的のパターンの判定は、それぞれ上式で
求めた平均値Yと注目画素Xの差に従う。すなわち、 ΔR=|Y −X |、ΔG=|Y −X |、ΔB=|Y −X |、ΔIR=YIR−XIR としたとき、 ΔR<K ΔG<K (K、Lは定数) ΔB<K ΔIR>L が成立すれば、パターン有りと判定する。
【0076】即ち、注目画素がその周辺画素と比べて可
視域では色味に差が小であり、赤外特性において定数L
以上の差を有すると判定できる。
【0077】図23は上記判定アルゴリズムを実施した
ハードウェア例である。加算器121はそれぞれ4画素
分の各色成分を単純加算し、その上位8bit分を出力
し、それぞれYR 、YG 、YB 、YIRを得る。減算器1
22は、それぞれ注目画素信号の各成分との差を求め、
R、G、Bの3成分は、その絶対値を基準信号としての
定数Kと比較器123、124、125で比較する。一
方赤外成分は基準信号としての定数Lと比較器126に
よって比較する。上記各比較器出力がアンドゲート12
7に入力され、その出力端子において“1”の場合、パ
ターンを判定したことになる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の実施例1による光センサの模式的断面
図。
【図2】実施例1による光センサの図1とは別の方向か
らの模式的断面図。
【図3】実施例1による光センサの回路図。
【図4】本発明の実施例2による光センサの回路図。
【図5】本発明の実施例3による光センサの回路図。
【図6】本発明に用いられる光電変換層の分光特性を示
す線図。
【図7】本発明に用いられる光電変換層と遠赤外カット
フィルターの分光特性を示す線図。
【図8】本発明の実施例4による光センサの模式的断面
図。
【図9】実施例4による光センサの図1とは別の方向か
らの模式的断面図。
【図10】本発明の実施例5による光センサの模式的断
面図。
【図11】実施例5による光センサの図1とは別の方向
からの模式的断面図。
【図12】本発明の実施例6による光センサの回路図。
【図13】本発明の実施例7による光センサの回路図。
【図14】本発明の実施例8による光センサの模式的断
面図。
【図15】本発明の実施例9による光センサの模式的断
面図。
【図16】実施例9に用いられる光電変換層の分光特性
を示す線図。
【図17】本発明の実施例10による光センサの模式的
断面図。
【図18】本発明の画像情報処理装置の制御系のブロッ
ク図。
【図19】本発明の画像情報処理装置により読み取るこ
とのできる原稿に用いられる赤外光吸収色素の分光特性
を示す線図。
【図20】本発明の画像情報処理装置により読み取るこ
とのできる原稿を示す模式図。
【図21】本発明の画像情報処理装置における判別手段
の構成を示すブロック図。
【図22】本発明の画像情報処理装置における判別動作
を説明するための模式図。
【図23】図21に示した判別手段の詳細な構成を示す
ブロック図。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.5 識別記号 庁内整理番号 FI 技術表示箇所 H04N 9/07 A 9187−5C (72)発明者 宮脇 守 東京都大田区下丸子3丁目30番2号キヤノ ン株式会社内

Claims (3)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 非可視光領域の光信号を電気信号に変換
    する第1の光電変換要素の上に可視光領域の光信号を電
    気信号に変換する第2の光電変換要素を積層したことを
    特徴とする光センサ。
  2. 【請求項2】 前記非可視光領域とは赤外領域である請
    求項1に記載の光センサ。
  3. 【請求項3】 非可視光領域の光信号を第1の電気信号
    に変換する第1の光電変換要素の上に可視光領域の光信
    号を第2の電気信号に変換する第2の光電変換要素を積
    層した光センサと、 前記第1の電気信号を基準信号を基に判別する判別手段
    と、 前記第2の電気信号に基づき画像を形成する画像形成手
    段と、 前記判別手段の出力に基づいて前記画像形成手段の動作
    を制御する制御手段と、 を具備することを特徴とする画像情報処理装置。
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