JPS63193678A - 二次元固体撮像装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔概　要〕 本発明は二次元固体撮像素子において高解像度化（高画
素化）を図るため、受光素子を所定間隔をあけて配列す
るとともに、走査手段を設け、該走査手段によって受光
素子上に結像する視野像を移動させることにより、受光
素子の間隙をインクレース走査することで、画素数を実
効的に素子数の整数倍としたものである。

〔産業上の利用分野〕

本発明は二次元固体撮像素子を用いた撮像装置に係り、
特に走査系を用いて空間分解能を向上させる固体撮像装
置に関する。

〔従来の技術〕

多数の受光素子を二次元状に配列し、この受光素子の光
電変換出力に応して発生蓄積した電荷を転送出力する電
荷転送素子（ＣＣＤ）を組み合わせた二次元固体撮像素
子は、内部に走査機能を有することから、装置の小型軽
量化、高性能化を図ることができるので、将来型の素子
として注目されている。

しかし二次元固体撮像素子を構成する受光素子とＣＣＤ
のうち、ＣＣＤは構成が複雑なため素子寸法が大きく、
そのため受光素子とＣＣＤを同一半導体基板上に配設す
るモノリシック型の二次元固体撮像素子では、ＣＣＤの
占有面積が大きくなり、受光素子の配設密度を高くする
ことができないという問題がある。

しかし二次元固体撮像素子のうち、モノリシック型の場
合には、基板材料として通常Ｓｉが使われるが、これは
量子効率が低いため、感度を維持するには受光素子自身
を余り微細化できない。更に、ＣＯＤは構成が複雑なた
め素子寸法が大きく、そのため受光素子とＣＯＤを同一
半導体基板上に　　□配設するモノリシック型の二次元
固体撮像素子では、ＣＯＤの占有面積が大きくなり、受
光素子の配設密度を高くすることができないという問題
がある。

そのためモノリシック型では、受光面において受光素子
の面積が占める割合のｆｉｌｌ　ｆａｃｔｏｒ　（充足
率）が、例えば２０パーセントと低く、受光素子から見
る瞬時視野の間には大きな隙間が生しる。

この隙間に入射した光は当然のことながら検知されない
ので、ｆｉｌｌ　ｆａｃｔｏｒが小さいということは、
撮像できない面積の割合が大きく、従って解像度が低く
、良好な画質が得られないという問題がある。

この問題を解消することを目的として、受光素子とＣＣ
Ｄとを別個の半導体基板上に二次元状に配列し、この２
種の基板を貼り合わせ、対応する受光素子とＣＣＤとを
電気的に接続した構造のハイブリッド型の二次元撮像素
子が提唱され、実用化されている。

この構造では、受光素子基板には受光素子のみを配設す
るため、ｆｉｌｌ　ｆａｃｔｏｒは極めて大きくでき、
また受光素子の配設密度も向上する。しかしながら、受
光素子の配設ピッチはＣＣＤの素子寸法以下にはできな
いため、ＣＣＤが小さくならない限り、受光素子を高密
度化するにはなお制約が残る。

ハイブリッド型二次元固体撮像素子は、第９図に示す如
く、受光素子（同図には図示されていない）を赤外線透
過基板２１０にエピタキシャル成長された赤外線検知材
料２１４（例えばＩｎＳｂ、ＨｇＣｄＴｅ）上に形成し
、ＣＣＤ２１２をＳｉ基板２１１表面に形成し、この両
者を結合電極２１３９例えばバンプによって結合する。

この場合、赤外線検知材料２１４は量子効率がＳｉより
十分高いので、受光素子を微細化しても感度を高く保つ
ことが可能である。即ちハイブリッド型においては受光
素子を微細化しても十分高感度にすることができ、ｆｉ
ｌｌ　ｆａｃｔｏｒがモノリシック型の場合とは異なり
、感度に対する指標としての意味を失っている。このよ
うにハイブリッド型では受光素子を微細化する可能性を
有するので、高解像度化し得る可能性を持つことを意味
する。

しかしながら従来の二次元固体撮像素子では、受光素子
とＣＣＤとが画素単位で対応しているため、受光素子を
微細化しても配設間隔を縮めることができず、単に受光
素子間に受光できない隙間が発生するのみであった。

このように従来の二次元固体撮像素子においては、素子
の高集積化、高密度化に種々の制約があり、解像度を高
くすることが困難であった。かかる問題は、従来１個の
画素を１個の素子で構成していたことから生じるもので
あって、受光素子とＣＯＤとを同一基板上に配置するモ
ノリシック型及び両者を別個の基板上に配置したハイブ
リッド型のいずれにおいても、程度の差はあっても避け
ることができない。

因に第１０図に従来の二次元固体撮像装置を示す。

視野２０１から輻射される光２０２は、レンズ２０３を
介して二次元固体撮像素子２０４の各受光素子２０５に
入射される。各受光素子２０５からの映像信号は増幅器
２０６を通ってから信号処理回路２０７で信号処理（Ａ
Ｄ変換、走査変換等）されて表示装置２０Ｂに映像化さ
れる。

第１１図（ａ）は従来の二次元固体撮像素子（水平方向
４画素×垂直方向４画素）２０４の構造を、同図（ｂｌ
は上述の固体撮像装置により得られる画像２０９を示す
。同図（ｂｌの画像２０９内の番号は、同一番号を有す
る受光素子２０５によって得られた画像であることを示
す。このように従来は素子数と画素数は等しく構成され
ていた。

なお上記第１０図、第１１図では素子数を１６個とした
が、これは説明上の便宜のためで、１６個に限られるも
のではない。

〔発明が解決しようとする問題点〕

上述の如〈従来の固体撮像装置の解像度を向上させよう
とした場合、受光素子材料の量子効率を高めて素子を如
何に微細化しても、或いはハイブリッド型環素子の構造
を如何に工夫しても、ＣＯＤの素子寸法が最大のネック
となり、解像度の向上を妨げていた。

かかる問題は、従来二次元固体撮像素子においては、更
には二次元固体撮像素子の構造や、使用する材料が進歩
しているにもかかわらず、受光素子と画素が一対一に対
応する構成をそのまま踏襲していることから生じるもの
である。

本発明はかかる事情に鑑みてなされたものであって、本
発明の目的は、微細な画素を実効的に高密度配置可能、
従って高解像度化可能な、二次元同体撮像素子を用いた
固体撮像装置を提供することにある。

〔問題点を解決するための手段〕

本発明は、半導体基板表面に所定間隔を隔てて配設され
た複数個の受光素子を有する二次元撮像素子と、該二次
元撮像素子の受光面に視野像を結像させるレンズと、こ
のレンズから上記二次元撮像素子にいたる光路上に配設
された走査手段とを具備し、受光素子の瞬時視野が受光
素子間を順次走査する如く前記走査手段により上記二次
元撮像素子上で視野像を移動させることにより、実効的
な画素数を受光素子数の整数倍としたものである。

〔作　用〕

前述の如く受光素子は微細化可能である。そこで微細な
受光素子を所定間隔で配設しておく。この配設ピッチは
、例えばハイブリッド型では１画素に対応するＣＯＤの
占める面積当たり１個とする。

このようにすると受光素子間に隙間が生じる。

そこで、走査手段により視野像を移動させると、各受光
素子の見る瞬時視野が隣接部位に順次移動して行く。そ
こでこの瞬時視野の移動に同期して蓄積を行うことによ
り、受光素子間の隙間を撮像することができ、画素数が
実効的に受光素子数の整数倍となったこととなり、従来
の１個の画素を多数の微細な画素で分割撮像したのと等
価となり、解像度が向上する。

〔実　施　例〕

第１図（ａｌ、　（ｂｌは本発明の原理説明図であって
、同図（ａ）は本発明における二次元固体撮像素子の構
造を、同図（ｂｌは本発明によって得られる画像を、い
ずれも模式的に示す図である。

同図（ａｌに見られるように、Ｎｏ、１−ｈｈ１６の１
６個の受光素子１０１を、所定間隔を隔てて配列する。

同図では配設ピッチを、素子寸法の４倍とした例を描い
である。なおこの配設ピッチは、ハイブリッド型の二次
元固体撮像素子においては、１画素分に対応するＣＯＤ
の大きさとすることができる。

このように受光素子１０１を配列しておき、走査手段（
図示せず。後述する）により、視野像を矢線で示す方向
に、受光素子１個分ずつ間欠的に移動させて蓄積動作を
行うか、或いは移動は連続的に行ないながら蓄積動作を
間欠的に行う。これにより、各受光素子１０１の瞬時視
野は、順次隣接部位に移動し、即ち、各受光素子１０１
は矢線に沿って順次隣接部位を撮像して行く。

この結果、各受光素子１０１はそれぞれ１６６画素を撮
像することとなり、表示画面上には同図（ｂ）に示すよ
うに、縦、横各１６画素５合計２５６画素を１個のフレ
ーム１０２とする映像が表示される。なお同図の各数字
は、その画素を撮像した受光素子１０１の番号を示す。

例えば同図（ｂｌのｌ１ｋｌの映像は、同図（ａｌの１
１１ａ１の受光素子によって撮像されたことを示してい
る。

上記同一受光素子１０１による撮像範囲は、従来の画素
１個分の視野に相当する。従って本発明では、微細な受
光素子１０１を所定間隔を隔てて多数配列し、この受光
素子１０１の瞬時視野を順次隣接部位に移動させて受光
素子１０１間の隙間を撮像することにより、第１図の例
では画素の大きさを従来と比較して１／１６とし、この
微細化された画素を従来の画素１個分の視野内に１６個
配置したのと等価となり、解像度は１６倍に向上する。

換言するならば、本発明は前述のｆｉｌｌ　ｆａｃｔｏ
ｒをあえて小さくした微細な受光素子の瞬時視野を単位
画素とし、上記受光素子近傍の所定区域を上記瞬時視野
を単位として分割撮像するようにしたものであって、近
年の固体撮像素子の量子効率が向上しているのを積極的
に利用するものである。

以下本発明の実施例を図面により説明する。

第２図は本発明の第１の実施例の構成を示す図であって
、上記第１図に示したような多数の受光素子１０１を配
設した二次元固体撮像素子１１１に、視野１１２の像を
レンズ１１３によって結像させる。

本実施例ではその光路上に水平走査鏡１１４と垂直走査
鏡１１５からなる走査手段１１６を設けである。

この水平及び垂直走査鏡１１４．１１５を動作させて前
述の第１図（ａ）に示すように走査を行い、二次元固体
撮像素子１１１の出力を増幅器１１７を介して信号処理
回路１１８に送出し、各種信号処理を行なって表示装置
１１９に出力し表示する。

以上により前述の第１図（ｂ）に示すような構成の、高
解像度の映像が得られる。

次に本発明第２の実施例を、第３図（ａ）、　（ｂｌに
より説明する。

本実施例は、光軸に対して所定の傾きを有し、且つ光軸
を中心として回転可能な光透過板１２０をもって、走査
手段を構成した例である。

光透過板１２０は同図（ｂ）に見られるように、円筒状
のホルダー１２１内に斜めに取りつけ、このホルダー１
２１の中心軸を光軸に一致するよう配設し、ホルダー１
２１を回転させることにより、光透過板１２０は光軸に
対して所定角度傾いた状態で回転する。

このようにすると、視野像は固体撮像素子１１１の受光
面上で微小円を描いて回転し、受光素子の瞬時視野が移
動することとなる。

第４図（ａ）〜（Ｃ）に上記光透過板１２０を走査手段
として用いた例を示す。

同図（ａ）は、１６個の受光素子阻１〜ｌ１ｋＬ１６を
マトリクス状に配列し、これに対して上記光透過板１２
０を回転させて走査する例である。この場合瞬時視野は
図示の矢線で示す円周上を移動する。

同図（ｂｌは同図（８１０８部の詳細を示す図で、１個
の受光素子の瞬時視野は、図示の■〜■の順に移動する
。

この結果同図（Ｃ）に示すような画像が得られる。

同図の斜線で示す部位が本実施例により実際に撮像され
た画素で、残りの白地の部分は実際には撮像されない部
分を示す。この白地の部分の画像は隣接画素の平均値を
用いる等、種々の方法があるが、これは本発明とは直接
関係しないので、説明を省略する。

第５図（ａ）〜（Ｃ）は、受光素子配列を上記第４図（
ａ）と異ならしめた第３の実施例を示す図で、走査手段
は上述の光透過板１２０を用いている。

本実施例では、縦横比が１対２の短冊状の受光素子１１
＆ｔｌ〜１ｌｈ１６を千鳥状に配置した。この場合には
瞬時視野は同図（ｂｌに見られる如く移動する。そして
同図（Ｃ）に示すような画像が得られる。

末弟３の実施例では、前述の第２の実施例より画素の隙
間は大幅に減少する。

上記第２及び第３の実施例で用いる二次元固体撮像素子
として、微細化した受光素子を所望の如く配置したもの
を作成してもよいが、かねてより用いられている二次元
固体撮像素子にマスクをかぶせたものを使用してもよい
。

その例を第４及び第５の実施例として、第６図〜第８図
により説明する。

即ち第６図に示すような、微細化されていない通常の受
光素子１３１を多数配置した二次元固体撮像素子１１１
の受光面上に、第７図に示すような、多数の開口１３２
を有する非透光性のマスク１３３をかぶせる。これによ
り、上記各受光素子１３１の表面の一部のみを露出させ
る。同図の破線１３１゛は受光素子１３１を示す。

第８図は開口１３２を短冊状とし、その配置を千鳥状と
したマスクを受光素子１３１上にかぶせたものであて、
これにより、前記第５図（ａｌに示す固体撮像素子が得
られる。

このように本発明を実施するに当たっては、新たに作成
した受光素子を用いてもよいが、第６図〜第８図に示す
ように、従来の受光素子上に所望の開口１３２を有する
マスクをかぶせたものを使用しても良い。

以上説明したように、本発明は微細化した複数の受光素
子を、素子間に間隔を設けて配置し、素子間の隙間をイ
ンクレース走査し、画素数〉素子数としたものである。

第１図では素子間に水平。

垂直方向それぞれ３素子分の間隔をあけ、その間隔をイ
ンクレース走査している。

更に本発明においては、素子間のみをインクレース走査
するので、走査角が小さくてすみ、従って走査系は簡単
な構成で実現できる。

なお上記各実施例で、説明の便宜上受光素子数を４Ｘ４
＝１６個としたが、構成素子数は特に限定されるもので
はなく、任意に選択してよい。

また受光素子の寸法も任意に選択し得るものであって、
ハイブリッド型においては、単位画素に対応するＣＣＤ
の一辺の長さが、例えば１００μｍであるとした場合、
受光素子の一辺の寸法は凡そ５〜９５μｍの範囲を使用
できる。しかし従来は１画素＝１素子であったため、素
子を小さくすると撮像できない領域が増えることから、
素子寸法の選択範囲に制約があったものを、本発明によ
れば、走査手段を組み合わせることによって、上記範囲
内で素子寸法を任意に選択可能となる。

本発明を用いる場合、量子効率が高い程素子を微細化で
き、その意味では現状ではハイブリッド型の方が効果が
大きい。しかしこれは素子の構造に起因するものではな
く、単に通常用いられる材料が、モノリシック型ではＳ
ｔであって、ハイブリッド型に多く用いられるＨｇＣｄ
Ｔｅ、或いはＩｎＳｂより量子効率が低いことに原因が
ある。

従って蓄積時間が長く取れるような低速動作の場合には
、Ｓｔ基板を用いたモノリシック型であり　　Ｇ ても本発明を実施し得ることは言うまでもない。

〔発明の効果〕

以上説明した如く、従来固体撮像素子においては素子の
微細化が単純には素子数の増加につながらず、高解像度
化が困難であったものを、本発明により、量子効率が高
い利点を活かし、簡単な構成により素子の微細化と実効
的な画素数の増大が′　　可能となり、高解像度化が実
現できる。

【図面の簡単な説明】

第１図（ａｌ、　（ｂｌは本発明の原理説明図、第２図
は本発明箱１の実施例の構成説明図、第３図ｔａｇ、　
（ｂｌ及び第４図（ａ）〜（Ｃ）は本発明箱２の実施例
説明図、 第５図（ａｌ〜（Ｃ）は本発明箱３の実施例説明図、第
６図及び第７図は本発明箱４の実施例説明図、第８図は
本発明箱５の実施例説明図、 第９図はハイブリッド型固体撮像素子を示す図、第１０
図は従来の二次元固体撮像装置説明図、第１１図は従来
の二次元固体撮像素子と画像説明図である。 図において、 １０１は受光素子、　　１０２は一つのフレーム、１１
１は二次元固体撮像素子、 １１２は視野、　　　　１１３はレンズ、１１４は水平
走査鏡、　１１５は垂直走査鏡、１１６は走査手段、　
　１１７は増幅器、１１８信号処理回路、　１１９は表
示装置、１２０は光透過板、　　１２１はホルダー、１
３１は受光素子、　　１３２はマスクの開口、を示す。 （Ｑン 漆イトＤ月原理徒明Ｇり ／１−発ロ月２１−突方臼倖りＪ糞へ−ｉｔ弓可０ゴ第
２図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 基板面に所定間隔を隔てて配設された複数個の受光素子
   （１０１）を有する二次元撮像素子（１１１）と、該二
   次元撮像素子の受光面に視野像を結像させるレンズ（１
   １３）と、このレンズから上記二次元撮像素子にいたる
   光路上に配設された走査手段（１１６）とを具備し、前
   記受光素子（１０１）の瞬時視野が隣接する受光素子間
   を順次走査する如く前記走査手段により前記二次元撮像
   素子（１１１）の受光面上で視野像を移動させ、前記受
   光素子間の視野像を順次前記受光素子上に結像させるよ
   うにしたことを特徴とする二次元固体撮像装置。