JPH0759097A - 多感光領域を有するカラー撮像電荷結合アレイ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 フルカラー画像を撮像する多領域構造を有す
る電荷結合アレイ（ＣＣＤ）の形の感光素子を提供す
る。 【構成】 感光素子は単一結晶構造からなり、構造の異
なる領域は異なる成分からなる。第１の感光領域は所定
の第１の波長範囲内の光の露光に対応してその区域に電
子孔対を生成するようにした第１の材料からなり、第２
の感光領域は第１の波長範囲とは異なる所定の第２の波
長範囲内の光の露光に対応してその区域に電子孔対を生
成するようにした第２の材料からなる。 【効果】 感光素子にあるような結晶構造の成分を結晶
の所望の成分が素子内の所望の位置にあるように結晶成
長過程で正確に制御できる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明はフルカラー画像を撮像す
る多領域(multiple region) 構造を有する電荷結合アレ
イ（ＣＣＤ）の形の感光素子に関する。

【０００２】

【従来の技術】電荷結合アレイ（ＣＣＤ）は一般に、電
荷を選択的にその特定区域(area)に保持する層構造とし
て定義され、その構造自身は荷電区域の形でデータの選
択的な逐次の読取りをするシフトレジスタとしての役割
を果たすことができる。ＣＣＤ内の離散区域は、電荷を
保持する特定区域では周辺の材料よりも電位が低いので
電荷が蓄積されるようになっている。電荷を直列信号と
して読み出すことが所望される場合、各々の区域の電荷
をその上及びその周辺の電位を適切に変えて電荷がある
区域から次の区域に流れるようにすることで、１つの区
域からその周辺に転送することができる。一般に隣接す
る電極をある期間重複して荷電してアレイに沿った線形
の電極に電荷を加えることで、個々の電荷パケットをＣ
ＣＤに沿って移動するようにすることができる。離散電
荷パケットを１つの区域から次の区域まで、電荷が直列
信号として読み取られるまで転送するシステムは、いわ
ゆる(colloquially)読取りの「バケットブリゲード」手
法として知られている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】１つのＣＣＤの特殊な
タイプとして感光ないし「撮像」ＣＣＤがあり、そこで
直列信号として読み出すことができる電荷の離散区域
は、光を構造体に画像的に焦点合わせすることによりＣ
ＣＤに最初に形成される。現在通常に用いられている大
部分のスキャナやファクシミリ装置は単色であって、ハ
ードコピーの原稿上の色を感知せず、大部分の撮像ＣＣ
Ｄは単に暗部と光の階調しか感知しない。カラー走査装
置については、１つの通常の構成は、ハードコピー原稿
と光電検出器の間にいずれかのカラーフィルタを選択的
に入れてハードコピー原稿を各々の時に異なるカラーフ
ィルタで数回、走査し、それにより各々が文書からの１
つのカラーの分解を示す１組のデータの「バッチ」を作
成することである。続いて表示ないし印刷するために、
別々のバッチを重畳してフルカラー文書を再組立する。
別の公知の手法として、一般に並列に互いに近接して配
列した３つの別々の線形アレイを設けることがあり、各
々の別々の線形アレイはそれと関連した小さいカラーフ
ィルタを有する。各々のアレイに関連したカラーフィル
タにも関わらず、各々のそのようなアレイの下方の感光
構造は一般に同じである。このシステムは単に各々の線
形アレイの各々に入る光の性質の制御しか行わない。

【０００４】

【課題を解決するための手段】本発明では、所定の第１
の波長範囲内の光に露光される区域に電子孔対を生成す
るようにした材料からなる第１の感光領域と、第１の波
長範囲とは異なる所定の第２の波長範囲内の光に露光さ
れる区域に電子孔対を生成するようにした材料からなる
実質的に第１の感光領域と同一平面上の(co-planar) 第
２の感光領域とを有する結晶構造からなる感光装置を提
供する。

【０００５】図において、図１は、本発明により製作し
たＣＣＤを示す模式的な斜視図である。図２は、図１に
示すＣＣＤの線２に沿った矢印の方向の断面立面図であ
る。図３は、図１に示すＣＣＤの線３に沿った矢印の方
向の断面立面図である。図４は、本発明により製作した
ＣＣＤにより出力される信号を分類する差別化システム
の部分的な模式ないし平面図である。

【０００６】

【実施例】図１に本発明によるフルカラー走査用のＣＣ
Ｄの形の感光素子を示す。全体的に１０の参照数字で示
した感光素子は、単一の結晶構造を持つ部材の形態をし
ている。即ち別々に製作し互いに当接した別々の結晶構
造からなるのとは異なり、感光素子１０全体は素子全体
を通して連続した単一の結晶構造から製作している。部
材全体は以下に説明するように単一の結晶構造からでき
ているが、構造の成分は感光素子の異なる部分で異なっ
ている。更に感光素子１０はそれ自身、図１に示す装置
の境界を超えて延長するウエハのような大きな部材の一
部とすることができる。

【０００７】走査装置に有用にするため、感光素子１０
は一般に伸長した形をしており、また一般にその長軸に
沿って感光部分１２と不透明部分１４に分割している。
感光部分１２の上面は、以下に詳細に説明するようにそ
れぞれ青、緑、赤、白（黒画像に対して）の光に対応す
るＢ、Ｇ、Ｒ、Ｋとして示した平行した行の形の任意の
数の領域に分割する。更に光に対して敏感でない不透明
部分１４は、機能的にａ、ｂ、ｃ、ｄの行に分割する。
感光部分１２と不透明部分１４の両方のこの行構成は図
２の断面図で明確に見ることができる。

【０００８】感光素子１０のＢ、Ｇ、Ｒ、Ｋ及びａ、
ｂ、ｃ、ｄの各行は、別の次元では、図１で１、２、
３．．．．ｎと番号付けした画素部分に分割する。それ
らの画素部分は感光素子１０の露光からの被走査画像を
画像データに変換する画素に対応する。感光部分１２の
行と画素部分の交差により、後に詳細に説明するように
アレイ内の各々の画素に対して感光部分１２では４つの
感光場所（各々のカラーに対して１つ）及び対応する不
透明部分１４ではシフトレジスタとして作動する４つの
「位置ホルダ」が割り当てられるように個々の感光場所
が形成される。フルワイドの１対１の走査装置でのその
ような画素部分の一般的なスペース配分は、インチ（２
５．４ｍｍ）当り２００から４００画素部分である。し
かし多くの走査装置では縮小レンズを使用しているの
で、画素部分の実際の大きさをインチ当り６００から８
００と小さくすることができる。一般に縮小レンズは、
装置上で高い解像度が要求されても絶対条件的に小さい
感光素子を有することはコスト的に有利にすることがで
きるのでＣＣＤと共に使用する。図３の断面図から分か
るようにＢ、Ｇ、Ｒ、Ｋ及びａ、ｂ、ｃ、ｄの各行に対
する個々の画素部分は各々の行について整列されてい
て、任意の行の画素部分を示すと云うことができる。

【０００９】図２及び３の断面図から明確に分かるよう
に、感光部分１２の各々の画素部分及び不透明部分１４
のａ、ｂ、ｃ、ｄの各々の部分は電極２０と結合してい
る。従来技術では、そのような電極２０を個々の画素部
分及びＣＣＤのその他の部分に設け、それにより特定部
分を必要に応じていずれの特定の部分への光の透過をも
妨げずに指定することが知られている。（しかし図示し
た実施例では、不透明部分１４は光を受けることを意図
しておらず、従ってその上で光の透過を可能にする備え
は必要ではない）。それらの様々な電極２０は当業者に
は公知の手法で選択的に指定され、それにより感光素子
１０の様々な部分内の電荷パケットを所望により特定の
電極２０と結合したある区域から隣接した電極２０と結
合した区域に移動するようにすることができる。

【００１０】特にハードコピー文書の原稿を走査する過
程で起こるような画像的な形で感光素子１０を露光する
と、画像「スライス」が感光素子１０の感光部分１２上
に焦点合わせされ、異なる画素部分の感光場所は画像及
び特定の画素部分の配置によって異なる色の異なる強度
の光を受ける。フルカラーの原稿については、各々の画
素部分１、２、３．．．．ｎ内で、異なるカラー部分
Ｂ、Ｇ、Ｒ、Ｋが画素部分１、２、３．．．．ｎの各々
の列と関連した特定画素の特定成分カラー（それぞれ
青、緑、赤、白）にそれぞれ敏感となる。従って最端部
の画素１については、ハードコピー・原稿に例えば紫区
域があると、その画素区域の原稿の実際の色合いに依存
して各々の範囲で画素部分１の青及び赤部分で電荷活動
を生じる。（ここでフルカラー走査システムで一般的な
ように原色を用いているが、システムは所望によりどの
様な種類の色分解に対しても設計することができる。Ｋ
ゾーンの電荷パケットは白い光に関係し、画像処理シス
テムで所望によりこの「グレー」信号を利用することが
できる。）

【００１１】感光撮像ＣＣＤその他の感光素子では、光
と結合したエネルギーは特定量の電子孔対を形成する作
用をする。それらの形成された対の孔の電子ないし孔を
保持することで構造の感光領域に「電荷パケット」を形
成することができる。従ってＣＣＤ１０の多領域構造体
内で個々の原色を感知する対応領域を露光すると、個々
の原色が特定画素の光に存在する程度まで付勢される
（即ち特定の大きさの電荷の電荷パケットが形成され
る）。

【００１２】完全な画像を形成する一連のライン画像の
１つをスキャナ内のＣＣＤの線形アレイ上に露光するサ
イクルの一部としてＣＣＤを露光すると、ＣＣＤの感光
量域内の電荷値が公知の「バケットブリゲード」の形で
読み取られ、ＣＣＤの終端に一連の信号を形成する読取
りステップが始まる。本発明の実施例では、各々の画素
部分内の各々のカラーに対するデータの読取り過程は、
２つの部分に分かれている。第１に各々の画素部分内の
各々のカラーに対する個々の電荷パケットをまず感光素
子１０の不透明部分１４にシフトする。従ってその画素
部分と結合した電極に適切な電荷を適切な量の時間加え
ることで、Ｂ、Ｇ、Ｒ、Ｋ行内の感光場所上に露光によ
り形成される電荷パケットは、それぞれａ、ｂ、ｃ、ｄ
にシフトされる。このようにして４つの可能な電荷パケ
ット（その時その特定画素部分には４つのカラーの各々
に対して入力があると想定して）は、不透明部分に順次
にシフトされる。各々の画素部分について感光部分１２
から不透明部分１４への電荷パケットの縮小移動は事実
上、感光部分１２を「クリア」して、先の露光での画素
部分に付いての画像データがその画素部分の不透明部分
１４に一時的に格納される間、感光部分１２の別の露光
サイクルを始めることができる。

【００１３】読取り過程の第２の部分では、不透明部分
１４のａ、ｂ、ｃ、ｄの行内の電荷パケットを行にわた
って平行なストリームで順次に読み取る。即ちａ行内の
電荷パケットを感光素子１０にわたって画素部分１から
２、３などへとＣＣＤ「バケットブリゲード」の形で移
動する。適切な電荷を不透明部分１４の部分と結合した
電極２０に適切に加えることにより誘起されるこの順次
読取りは、従来のＣＣＤシフトレジスタでよく知られて
いる。画像データと結合した電荷パケットが平行ストリ
ームで送り出されると、感光素子１０の読取りエンドで
は（個々の電荷パケットの大きさに基づいて）一連の電
荷値が形成され、各々のストリームが１つのカラーない
し白／黒を示す画像データの平行な連続したストリーム
を形成する。このように本発明の実施例の２つに分かれ
た読取り過程は、最初に全ての電荷パケットを不透明部
分１４にシフトして感光部分１２をクリアにし、次に電
荷パケットを不透明部分の終端から順次にダウンロード
する。

【００１４】もちろん感光部分１２のＢ、Ｇ、Ｒ、Ｋの
行内の感光場所からより簡単な読取りとして、列にわた
る逐次読取りを感光部分１２の各々の行ないし画素部分
の終端から直接行うことができる。

【００１５】例示した実施例で、一連の電極２０を外部
回路（図示せず）に接続して適当な電圧をアレイの離散
区域に加えることができ、それにより電極は必要に応じ
てアレイにわたって電荷パケットを様々な方向にシフト
することができる。本発明の多色ＣＣＤの場合、感光素
子の画素部分の各々の列１、２、３．．．．ｎは独立し
たＣＣＤとして作用し、その読取りステップから、各々
のデータストリームが画素の行の１つのカラーを示す平
行データストリームが生じる。このバケットブリゲード
手法では一般に、与えられた画素の一方に対する電位を
減少させることによりＣＣＤの１つの特定の画素部分の
電荷パケットが１画素の長さだけ移動するシーケンスで
一連の電位を電極２０に印加する。この過程は従来技術
で知られているように、各々の画素と結合した離散電荷
パケットの形の画像データの全てがＣＣＤの終端で読み
取られるまで繰り返される。

【００１６】単一結晶構造の感光素子１０のような感光
素子を構成する際に明白な問題は、光の特定波長を固有
に感知する個々の部分を感光部分１２に設けることであ
る。特定波長範囲を固有に感知する素子の特定領域を有
することで、ガラスないしプラスチックのいずれかの種
類のカラーフィルタを用意する通常の必要性を避けるこ
とができる。そのようなフィルタを回避できることで感
度が増大し、それによりそのような走査装置の可能な速
度を増大できる。本発明では、構造体は部材全体では連
続しているが、部材の様々な領域の構成の成分は多少異
なる単一の結晶構造を設ける。特定の結晶成分は特定の
波長範囲の光に露光すると電荷パケットを形成できるこ
とが知られている。

【００１７】特定の所望の原色を感知する領域の所望の
構造体を形成するには、（Ａｌ_x Ｇａ_1-x ）_y Ｉｎ_1-y
Ａｓのような多くの可能な直接バンドギャップ材料があ
る。またＡｌ_x Ｇａ_1-x Ａｓの整然とした結晶のような
間接ギャップ材料を感光領域に使用することができる。
この整然とした結晶構造で（ｘとして与えられる）アル
ミニウムとガリウムの比率は、与えられた領域の所望の
波長と関連した特定エネルギーに対する感度に対して変
えることができる。材料の直接ギャップ以上のエネルギ
ーに対しては大きな吸収の増大があるので、間接ギャッ
プ材料を使用することができる。直接ギャップ以下の小
量の吸収は、信号が読み取られ、デジタル形式に変換さ
れると補正することができる。それらの材料で与えられ
た成分は、一方のエンドのみで制限された範囲で特定波
長及びそれ以下の短い波長を一般に感知する。従って特
定の波長の集合の吸収のための構造体を準備する際、以
下に詳細に述べるように一般に２つのエンドで制限され
た波長範囲の光を示す信号を分類するために差別化手段
が必要となる。

【００１８】以下の表は、所望の波長感度についてアル
ミニウムのガリウムに対する最良の知られた比率を示
す。

【００１９】図１〜３に示すような本発明の４色の実施
例では、各々のＫ、Ｒ、Ｇ、Ｂ部分の成分の１つの可能
な構成として次のようになる。即ち白色光（全可視スペ
クトル）を感知するＫ領域については値ｘ＝０．３とな
り、（赤及び緑や青のようなその他の全ての短い波長を
感知する）Ｒ部分についてはｘ＝０．４５となり、（緑
及び全ての短い波長、特に青を感知する）Ｇ部分につい
てはｘ＝０．７５となり、（青と可視スペクトルの全て
の短い波長を感知する）Ｂ領域についてはｘ＝０．８５
となる。もちろん検出する正確な所望の色に関する各々
の部分の正確な成分は、特定の装置の設計上の選択問題
となる。上述したように、本発明の実施例の結晶構造の
性質により特定の領域は特定の色とそれ以下の全ての短
い波長を感知するので、出力信号がカラースペクトルの
特定の二重に制限された範囲に関係するように感光素子
１０の様々な領域と結合した信号を分離する手段が一般
に必要とされる。

【００２０】感光素子１０の不透明部分１４は露光する
ことを意図していないが、感光部分１２と同一の結晶構
造から形成することが望ましい。不透明部分１４の成分
は電荷パケットがそれを制御可能な形で通過できるもの
で、例示した実施例でもｘの値は電荷パケットの通過を
最適化するように選択すべきである。

【００２１】図４は、感光部分１２の各々の行から転送
された不透明部分１４の異なる行と結合した電荷パケッ
トを分類して二重に制限された波長範囲と関係する信号
を生み出す差別化手段の基本の部分的な概略図である。
この実施例ではＢ、Ｇ、Ｒ、Ｋ行で形成された電荷パケ
ットがそれぞれ不透明部分１４のａ、ｂ、ｃ、ｄ行に順
次に転送されると想定すると、様々な感光領域の波長感
度の累積的な性質故に、Ｇ行から転送されたｂ行内の電
荷パケットは緑波長より短い光の量、特に青の光の量に
関連づけられることが分かる。従ってｂ行内の電荷パケ
ットは緑の光に加えて青の光を示す。同様にＲ行から転
送されたｃ行内の電荷パケットは赤の波長及びそれ以下
の実際上赤プラス緑、青の光により形成される。元々Ｂ
行からのａ行の電荷パケットはこの例では、青がシステ
ムが感知する最短波長光であるので主に青となる。更に
黒ないし白のＫ行から転送されたｄ行の電荷パケット
は、全可視スペクトルからの光の作用により形成され
る。

【００２２】青の光に専ら関係するａ行の電荷パケット
及び光の実際の色は大部分実態がないｄ行の電荷パケッ
トは、その行に関心のない光に関係した電荷を含まない
ので、ｄ及びａ行の電荷パケットは直接（一般にデジタ
ルの）信号に変換して画像処理システムで使用すること
ができる。しかしｃ、ｂ行の電荷パケットは、それぞれ
赤と緑の光に関係する電荷パケットに加えて、その他の
色に関係する電荷パケットを含んでいる。ｂ、ｃ行の余
分な色に関係した電荷は実際上、関心のある色に関係し
た電荷量だけを残して分離する必要がある。この分離を
行うため、３０及び３２として示した増幅器などの差別
化手段を使用する。図示された緑の光の信号に対する増
幅器の場合、緑と青の光を示すｂ行からの電荷パケット
は、青の光に関係した電荷のみそれから差し引かれてお
り、それは同一画素についてａ行の電荷により判定する
ことができる。従って（Ｇ＋Ｂ）−（Ｂ）＝Ｇの減算が
行われる。同様にｃ行内の電荷は緑プラスｂ行からの青
の電荷をそれから差し引くことができ、（Ｒ＋Ｇ＋Ｂ）
−（Ｇ＋Ｂ）＝Ｒの減算が行われる。この減算は演算増
幅器ないしデジタルシステムなどの従来技術で公知の電
子手段により行うことができる。

【００２３】本発明の感光素子の１つの主要な利点は感
光素子と組み合わせて例えば透明プラスチックないしガ
ラスの追加の光フィルタを装備する必要性をなくするこ
とであることを上記に述べたが、装置の設計上の便宜の
ためにそのような光フィルタを使用することも可能であ
る。光フィルタを感光素子１０の様々な感光領域と組合
せて用いることでシステムのカラーの明瞭さを「精細に
調整」することができ、あるいは図４に示す差別化手段
の必要性をなくすことができる。光フィルタは直接ない
し近接して感光素子１０の個々の波長を感知する領域に
適用することができ、あるいは代わりに例えば多通路走
査システムで、感光素子１０とハードコピーの原稿の間
に必要に応じて複数のそのようなフィルタの１つを配置
する走査手段で配備することができる。

【００２４】現在、部材は全体として一貫した結晶構造
を維持しながらも部材の主要表面の特定領域は特定の成
分で設けることができる単一結晶構造を有する単一部材
を形成する少なくとも１つの手法が従来技術で知られて
いる。この金属有機分子ビームエピタキシないしＭＯＭ
ＢＥとして知られる好ましい手法は、トクミツらにより
「光金属有機分子ビーム・エピタキシ(A New Epitaxial
Growth Technique)」「真空科学技術(the journal of
Vacuum Science and Technology)」７巻３号、１９８９
年３／６月、ｐｐ．７０６−７０９に記述されている。

【００２５】要約するとこの手法では、金属有機化合物
ないし水素化物反応体ガスを超高真空チャンバに導入し
て結晶基板に向けて導く。金属有機化合物は粘性流条件
に対して分子ビームとして導入する。このビーム性によ
り、シャッタを用いて反応体ガスの分子ビームを急にオ
ン、オフすることができる。本発明に対して最も有用な
のは、ＭＯＭＢＥ手法により、ＧａＡｓＰ及びＩｎＧａ
ＡｓＰ等の２つ以上のＶ属元素を有する三元合金、四元
合金を再現可能に成長できることが分かったことであ
る。更に光化学反応過程をＭＯＭＢＥと組み合わせて超
格子構造を作成できる。そのような超格子構造の作成
は、シャッタを操作する代わりにその過程中にレーザの
照射をオン、オフすることで達成することができること
が考えられた。代わりにIII 属ないしＶ属化合物の１つ
を金属有機源(metalorganic source)を用いて提供で
き、その他の全ての種は固体分子ビーム・エピタキシ源
を用いて提供できる。このようにしてレーザ強度量によ
り分解速度と１つだけの種の組合せを制御できる。レー
ザ照射で成長した合金成分はレーザ照射なしで成長した
ものとは異なるが、この手法を通して合金の成分をレー
ザ照射により制御できる。成長する膜の表面にわたって
様々な強度のレーザ照射を適用することで、成分を区域
選択的に制御できる。従ってそれらの手法を用いて感光
素子１０にあるような結晶構造の成分を結晶の所望の成
分が素子内の所望の位置にあるように結晶成長過程で正
確に制御できる。本発明の実施例に特に関連して、トク
ミツらは７０９でＭＯＭＢＥ手法を用いてＡｌ_x Ｇａ
_1-x Ａｓ結晶の成分を制御できることを述べている。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明により製作したＣＣＤを示す模式的な
斜視図である。

【図２】 図１に示すＣＣＤの線２に沿った矢印の方向
の断面立面図である。

【図３】 図１に示すＣＣＤの線３に沿った矢印の方向
の断面立面図である。

【図４】 本発明により製作したＣＣＤにより出力され
る信号を分類する差別化システムの部分的な模式ないし
平面図である。

【符号の説明】

１０ 感光素子、１２ 感光部分、１６ 不透明部分、
２０ 電極

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 次のものを含む、結晶構造を有する感光
   装置：予め定められた第１の波長範囲内の光の露光に対
   応してその区域に電子孔対を生成するようにした第１の
   材料を含む第１の感光領域と、 第１の波長範囲とは異なる予め定められた第２の波長範
   囲内の光の露光に対応してその区域に電子孔対を生成す
   るようにした第２の材料を含む、実質的に前記第１の感
   光領域と同一平面上の第２の感光領域。