JPH11313334A

JPH11313334A - 固体撮像装置

Info

Publication number: JPH11313334A
Application number: JP10116849A
Authority: JP
Inventors: Toshiki Saito; 敏紀斉藤; Fumihiko Ando; 文彦安藤; Yoshihiro Fujita; 欣裕藤田
Original assignee: Nippon Hoso Kyokai NHK; Japan Broadcasting Corp
Current assignee: Japan Broadcasting Corp
Priority date: 1998-04-27
Filing date: 1998-04-27
Publication date: 1999-11-09

Abstract

(57)【要約】【課題】従来の単板撮像方式による固体撮像素子は、
画素ごとにカラーフィルタを配置しているため、このフ
ィルタの特性上、色の再現が難しく、また、サンプリン
グ点もずれるため撮像された映像が高画質とは言えなか
った。【解決手段】本発明による固体撮像装置は、画素単位
で配置された波長分光特性を有する光学素子９と、その
光学素子によって入射光が波長分光され、得られた赤成
分、緑成分および青成分が射出され存在する位置に配置
されてそれぞれの成分を電気信号に変換する各画素に対
応した３個の光電変換素子１１の組とを少なくとも具え
てなる構成とした。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、カラー映像信号を
出力する固体撮像装置に関するもので、この固体撮像装
置はラインセンサをも含んでいる。

【０００２】

【従来の技術】従来のカラー映像信号を出力する固体撮
像装置には、３板撮像方式によるものと単板撮像方式に
よるものがあり、図６と図７にそれぞれの概略構成を示
している。

【０００３】３板撮像方式は、図６に示すように、カメ
ラレンズ１０１の後方に、入射光を赤、緑、青の各成分
に分離する色分解光学系（プリズム）１０２を配置し、
その色分解光学系により分離された３色の光それぞれに
対して、各光を光電変換するための固体撮像素子１０３
をひとつずつ、計３個用いる方式である。この方式で
は、撮像された映像の品質は良好であるが、色分解光学
系１０２を含むことから撮像装置の小型化には向いてい
ない。

【０００４】一方、単板撮像方式は、例えば、補色フィ
ルタを用いて構成した場合、図７に示すように、撮像素
子の撮像面上に、画素単位で黄色（Ｙｅ）、シアン（Ｃ
ｙ）、マゼンタ（Ｍｇ）および緑（Ｇ）のカラーフィル
タ１０４を配置し、撮像カラー情報を得る方式である。
この方式ではカラーフィルタ１０４の特性上、色の再現
が難しく、かつ、１画素に対して多くても２種類の色成
分しか得られない。また、光エネルギーの一部をカラー
フィルタで吸収してしまうので感度の低下を招く。その
ため、高画質は望めない。さらに、３板撮像方式と異な
りサンプリング位置がずれるという問題もある。しか
し、３板撮像方式におけるような色分解光学系が必要で
ないことから、撮像装置の小型化には有利なカラー撮像
方式である。

【０００５】また、ラインセンサを用いたスキャナで
は、カラー映像化のために上述した撮像装置と同様カラ
ーフィルタを用いたり、あるいは、赤（Ｒ）、緑（Ｇ）
および青（Ｂ）用の３ライン構造のラインセンサを用い
たり、１ラインのラインセンサに対し光源色を赤、緑お
よび青と変え３回スキャニングしたりして構成してい
る。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】上述したように、従来
の固体撮像装置においては、３板撮像方式では撮像装置
の形状が大きくなり、また、単板撮像方式では撮像され
た映像の高画質化が望めないというように、小型化と高
画質の映像とを両立させることができなかった。

【０００７】また、従来のラインセンサにおいては、再
現される赤（Ｒ）、緑（Ｇ）および青（Ｂ）成分のサン
プリングの位置がずれる、または３回のスキャニングを
要するという問題があった。

【０００８】本発明の目的は、従来の固体撮像装置にお
ける上述した各種問題点を解決することにある。

【０００９】

【課題を解決するための手段】本発明固体撮像装置にお
いては、まず、撮像装置小型化のために、単板撮像方式
を採用することにし、そのうえで従来のようにカラー化
のためにカラーフィルタを撮像素子上に画素単位で配置
するのではなく、波長分光特性を有する光学素子（例え
ば、プリズム）を画素単位で配置し、その波長分光特性
を有する光学素子によって分光された赤（Ｒ）成分、緑
（Ｇ）成分および青（Ｂ）成分が射出され存在する位置
にそれぞれ配置された３個の光電変換素子により入射光
を減衰させることなく、波長成分（赤、青、緑）ごとの
サンプリングを行うようにしたものである。これによ
り、撮像装置としての感度の低下を防止することや色再
現性の向上が可能となる。

【００１０】また、本発明によるラインセンサにおいて
は、光学像を画素単位でサンプリングしてから分光する
ので、すべての画素について赤（Ｒ）、緑（Ｇ）および
青（Ｂ）成分のサンプリングの位置ずれは生じない。

【００１１】すなわち、本発明固体撮像装置は、画素単
位で配置された波長分光特性を有する光学素子と、該光
学素子によって入射光が波長分光され、得られた赤成
分、緑成分および青成分が射出され存在する位置に配置
されてそれぞれの成分を電気信号に変換する前記各画素
に対応した３個の光電変換素子の組とを少なくとも具え
てなることを特徴とするものである。

【００１２】また、本発明固体撮像装置は、前記光学素
子に入射する入射光を平行光にするための光学系を具え
てなることを特徴とするものである。

【００１３】また、本発明固体撮像装置は、前記光電変
換素子が、前記光学素子の波長分光特性に応じたバイア
ス電圧が印加され、該バイアス電圧によって画素間で前
記各色に対応した光電変換素子の間での感度ムラを補正
した光電変換素子であることを特徴とするものである。

【００１４】また、本発明固体撮像装置は、前記光電変
換素子がフォトダイオードであることを特徴とするもの
である。

【００１５】

【発明の実施の形態】以下に添付図面を参照し、発明の
実施の形態に基づいて本発明を詳細に説明する。図１
は、波長分光特性を有する光学素子の一例としてのプリ
ズムと、このプリズムに入射した光（入射光）のうち特
定の波長の光（屈折光）が進行していく様子を示してい
る。プリズムでは媒質の分散のため、波長によって屈折
率が変化し、従って波長によって屈折光の偏角が変化す
る。このことから、プリズムに入射した多数の波長を含
む入射光は、入射後は波長によって進行方向が変化し、
それぞれの単色成分に分離される。プリズムは様々な形
状が考えられるが、図１に示されたものは説明のための
一例である。

【００１６】図２は、一般的な２次元固体撮像素子１の
受光面の様子を概念的に示している。図２において、受
光面上には入射光を電気信号に変換するフォトダイオー
ド２が規則正しく並べられている。斜線で示される各フ
ォトダイオード相互間の部分３は、それぞれのフォトダ
イオード２を仕切ったり、光電変換された信号電荷を転
送したりする部分で光には感じない。また、４，５でそ
れぞれ示される部分は、上記転送され取り出された信号
電荷を時系列信号として出力端子６に導くためのシフト
レジスタおよび増幅器である。

【００１７】これに対し、本発明固体撮像装置において
は、前述したように、波長分光特性を有する光学素子
（例えば、プリズム）を画素単位で配置し、この光学素
子によって入射光を分光して得られ、カラー映像を生成
するのに必要な赤（Ｒ）、緑（Ｇ）および青（Ｂ）の各
色成分が射出され存在する位置にそれぞれ光電変換素子
（例えば、フォトダイオードやフォトトランジスタ）を
配置して各画素に対応した撮像出力信号（いわゆるＲ，
Ｇ，Ｂ信号）を得るようにしている。

【００１８】図３は、波長分光特性を有する光学素子と
してプリズムを用いて構成した本発明固体撮像装置の第
１の実施形態を横断面図にて示している。なお、この図
においては、撮像装置に入射する入射光の経路は、１画
素点（図中、右端の画素点）についてのみしか示されて
いないが、他の画素点についてもすべて入射光が入射
し、分光が行われることは言うまでもない。

【００１９】図３において、７は遮光板であり、平行光
または平行光に近い入射光はこの遮光板７に設けられた
スリットまたはピンホール８を通してプリズム９の傾斜
面に入射する。入射した光は、このプリズム９によって
赤（Ｒ）、緑（Ｇ）および青（Ｂ）の各成分に分離され
る。ここで、遮光板７を用いた理由は入射光をサンプリ
ングするためであり、もし、入射光の一部がサンプリン
グ点とは異なる位置でプリズムの傾斜面に入射すると、
それは、例えば、本来緑成分が射出され存在する位置に
赤成分や青成分が射出されることになり、波長分離が正
しく行われないからである。

【００２０】また、図３に１０で示される部分は、透明
層と呼ばれ、プリズム９とは異なる屈折率を有する透明
媒体である。プリズム９の傾斜面に入射した平行光また
は平行光に近い入射光は、図１に示したように、入射点
において光の波長に応じて異なる方向に進行することに
なるが、これはまた、プリズム９と透明媒体１０の各媒
質の屈折率の違いにより、プリズムの射出点において再
度進行方向を変えることになる。これら波長に応じ進行
方向が変えられた射出光（赤（Ｒ）、緑（Ｇ）および青
（Ｂ）に対応する射出光）は、透明媒体１０の光出力端
に配置されたそれぞれ赤、緑および青用の光電変換素子
１１に入射される。

【００２１】光電変換素子１１は、通常の固体撮像素子
におけるように、フォトダイオードやフォトトランジス
タで構成されていて、本発明では、上述した透明媒体１
０と光電変換素子１１の配置されている部分（層）を含
めて固体撮像素子１２と呼ぶことにする。赤、緑および
青用の光電変換素子１１からは、スリットまたはピンホ
ール８を通して入射される入射光に含まれるそれぞれ
赤、緑および青成分の強度に応じた電気信号が取り出さ
れ、これら信号は画素単位の撮像出力信号を構成する。

【００２２】以上のように、本発明固体撮像装置は、そ
の受光面における画素配置に関しては、図２に示す一般
的な固体撮像素子の画素配置と同じであるが、光電変換
素子の配置に関しては、一般的な固体撮像素子では、図
２に示すように、画素が１個のフォトダイオード（光電
変換素子）２によって構成されているのに対して、図３
に示す本発明の場合には、１画素が赤、緑および青用の
３個の光電変換素子１１によって構成されている点で、
図２の場合と大きく異なっている。このことに基づい
て、本発明（図３）の場合には、赤、緑および青の各撮
像出力信号が同時に得られ、従来のようにサンプリング
の位置がずれるという問題は解消する。

【００２３】次に、本発明固体撮像装置の他の実施形態
について説明する。上述した本発明の第１の実施形態に
おいて述べたように、プリズムの傾斜面に入射する光は
平行光または平行光に近い光束であることが必要であ
る。もし、入射光の一部が異なった角度でプリズムの傾
斜面に入射する（入射角にばらつきが生ずる）と、それ
は、本来同じ方向に進むべき光であっても異なる方向に
進んで行き、波長分離が正しく行われないからである。
第１の実施形態においては、スリットまたはピンホール
に入射する光は平行光または平行光に近い光束であるこ
とを前提としてスリットまたはピンホールを用いたが、
サンプリングのために図３のようなスリットまたはピン
ホールを用いたのでは光の利用率が悪く、結果的に感度
の低い固体撮像装置となる。

【００２４】図４は、この点を改善するためになされた
本発明装置の第２の実施形態を横断面図にて示してい
る。図４において、１３は、固体撮像素子１１の各画素
に対応して配置されたマイクロレンズ（微小な凸レンズ
の意）である。しかし、この場合、問題となるは、マイ
クロレンズ１３の中心部と周辺部とでプリズム９への光
の入射角が変わってしまうことである。プリズム９への
入射角が一様でないと、正確な分光ができない。すなわ
ち、マイクロレンズの中心光と周辺光とが平行であれば
正確な分光が可能となる。そのためには、マイクロレン
ズ１３とプリズム９間の距離を十分にとればよい。この
図４では、紙面の関係上、平行にはなっていないが、カ
ラー画像を構成する上で、支障がない程度に平行であれ
ば本実施形態は十分に実用できる。

【００２５】図５は、図４の欠点、すなわち、マイクロ
レンズとプリズム間の距離がある程度必要であるという
点を改善した本発明装置の第３の実施形態を横断面図に
て示している。図５において、１４は、かまぼこ（シリ
ンドリカル）レンズや凹面レンズなどで構成された平行
光変換光学系であり、図４の場合のマイクロレンズ１３
によって入射光をそのレンズの直近において収束させ、
平行光に変換する。これによれば、図から明らかなよう
に、マイクロレンズ１３とプリズム９間の距離を大きく
する必要がなく、従って、本発明固体撮像装置の小型化
が達成され、しかも光の利用効率は高いという利点が得
られる。

【００２６】最後に、本発明固体撮像装置の各画素に対
応した３個の光電変換素子間の感度ムラを補正する方法
について言及する。本発明装置においては、画素ごとに
配置されるプリズムの分光特性がすべて均一でないと、
画素間で各色に対応した光電変換素子の間に感度ムラが
発生し、これは、撮像された映像に固定パターンノイズ
を構成する。感度ムラの補正方法としては、固体撮像素
子１２（図３，４および５参照）を構成する光電変換素
子としての例えばフォトダイオードを用い、それらに印
加するバイアス電圧を変えることによって、ポテンシャ
ルウェル（井戸）のアパーチャを広く、または狭くし、
すべての画素のトータルとしての感度を一様にすること
ができる。

【００２７】以上においては、画素を２次元配置した構
成の固体撮像装置について本発明を説明してきたが、画
素を１次元配置すればラインセンサとなることから、本
発明固体撮像装置はラインセンサをも含んでいることは
自明である。この場合、ライン方向と直交する方向に各
色成分が射出されるようプリズムを配置すれば、画素間
隔を光電変換素子の大きさ程度にまで狭めることがで
き、解像度の高いラインセンサを実現することができ
る。

【００２８】

【発明の効果】本発明固体撮像装置によれば、従来の単
板撮像方式の固体撮像装置と殆ど変わらない大きさで、
従来の単板式のものに比べ、カラーフィルタを使用しな
いため、色再現およびサンプリング位置の点ではるかに
高画質（高解像度）の撮像された映像が得られる固体撮
像装置を実現することができる。

【００２９】また、本発明によるラインセンサを利用し
たカラースキャナーへの応用では、色に対するサンプリ
ングの位置のずれがないため画質の向上が期待でき、ま
た、光源色を赤、緑および青と変え、３回のスキャンニ
ングを必要としていた場合（従来構成）と比較すれば、
スキャンニングが１回ですむため、高画質でかつ高速な
スキャンニングを実現することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】波長分光特性を有する光学素子の一例としての
プリズムと、このプリズムに入射した光のうち特定の波
長の光が進行していく様子を示している。

【図２】一般的な２次元固体撮像素子の受光面の様子を
概念的に示している。

【図３】本発明固体撮像装置の第１の実施形態を横断面
図にて示している。

【図４】本発明装置の第２の実施形態を横断面図にて示
している。

【図５】本発明装置の第３の実施形態を横断面図にて示
している。

【図６】３板撮像方式固体撮像装置の概略構成を示して
いる。

【図７】単板撮像方式固体撮像装置（従来型）の概略構
成を示している。

【符号の説明】

１２次元固体撮像素子２フォトダイオード３フォトダイオード相互間の部分４シフトレジスタ５増幅器６出力端子７遮光板８スリットまたはピンホール９プリズム１０透明媒体１１光電変換素子１２固体撮像素子１３マイクロレンズ１４平行光変換光学系

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】画素単位で配置された波長分光特性を有
する光学素子と、該光学素子によって入射光が波長分光
され、得られた赤成分、緑成分および青成分が射出され
存在する位置に配置されてそれぞれの成分を電気信号に
変換する前記各画素に対応した３個の光電変換素子の組
とを少なくとも具えてなることを特徴とする固体撮像装
置。
【請求項２】請求項１記載の固体撮像装置において、
前記光学素子に入射する入射光を平行光にするための光
学系を具えてなることを特徴とする固体撮像装置。
【請求項３】請求項１または２記載の固体撮像装置に
おいて、前記光電変換素子は、前記光学素子の波長分光
特性に応じたバイアス電圧が印加され、該バイアス電圧
によって画素間で前記各色に対応した光電変換素子の間
での感度ムラを補正した光電変換素子であることを特徴
とする固体撮像装置。
【請求項４】請求項１乃至３のいずれか１項記載の固
体撮像装置において、前記光電変換素子はフォトダイオ
ードであることを特徴とする固体撮像装置。