KR20070012267A - 물리 정보 취득 방법, 물리 정보 취득 장치 및 반도체 장치 - Google Patents

물리 정보 취득 방법, 물리 정보 취득 장치 및 반도체 장치 Download PDF

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KR20070012267A
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Abstract

본 발명은 촬상 장치에서，적외광 필터를 이용하지 않아도, 적외광 등의 불필요 파장 영역 성분의 영향을 배제할 수 있도록 한다. 필터(C1, C2, C3)를 통하여 가시광 영역 내를 파장 분리하여 각 검지부에서 검지함과 함께, 필터(C4)를 통하여 적외광 영역을 파장 분리하여 검지부로부터는 검지한다. 필터(C1, C2, C3)를 통하여 검지되는 신호 SC1, SC2, SC3을, 필터(C4)를 통하여 검지되는 신호 SC4를 사용하여 보정함으로써, 적외광 영역 성분의 영향을 배제한 가시광 영역 성분에 관한 촬상 신호를 취득한다.
광학 로우 패스 필터, 촬영 렌즈, 고체 촬상 소자, AD 변환부, 휘도 신호 처리부, 적외광 보정 처리부, 색차 신호 출력, 수평 전송 CCD

Description

물리 정보 취득 방법, 물리 정보 취득 장치 및 반도체 장치{PHYSICAL INFORMATION ACQUIRING METHOD, PHYSICAL INFORMATION ACQUIRING DEVICE AND SEMICONDUCTOR DEVICE}
도 1은 보정 연산에 의해 가시광 컬러 화상과 적외광 화상을 각각 독립적으로 구하는 것을 항상 가능하게 하는 색 분리 필터의 배치예의 기본 구조를 도시하는 도면.
도 2는 본 발명에 따른 촬상 장치의 개략적인 구성을 도시하는 도면.
도 3은 도 1에 나타내는 색 분리 필터 배치를, 인터라인 전송 방식의 CCD 고체 촬상 소자에 적용한 경우의 촬상 장치의 회로도.
도 4는 도 1에 도시하는 색 분리 필터 배치를, CMOS 고체 촬상 소자에 적용한 경우의 촬상 장치의 회로도.
도 5는 가시광 상과 적외광 화상을 분리하여 취득하는 구조의 이미지 센서를 이용하는 경우의 신호 취득 방법의 일례를 설명하는 도면.
도 6은 고체 촬상 소자의 제1 실시예를 설명하는 도면.
도 7은 적층막을 설계하는 방법의 기본 개념을 설명하는 구조도.
도 8은 적층막을 설계하는 방법의 기본 개념을 설명하는 반사 스펙트럼도.
도 9는 적층막을 설계하는 방법의 기본 개념을 설명하는 반사 스펙트럼도.
도 10은 반사 중심 파장 λ의 조건을 설명하는 도면(반사 스펙트럼의 개념을 도시한 도면).
도 11은 반사 중심 파장 λ의 조건을 설명하는 반사 스펙트럼도.
도 12는 반사 중심 파장 λ의 조건을 설명하는 반사 스펙트럼도.
도 13은 적층막을 이용한 단파장 분파 대응의 분광 이미지 센서의 제1 실시예를 설명하는 구조도.
도 14는 적층막을 이용한 단파장 분파 대응의 분광 이미지 센서의 제1 실시예에서의 두께 의존성을 설명하는 반사 스펙트럼도.
도 15는 적층막을 이용한 단파장 분파 대응의 분광 이미지 센서의 제1 실시예를 설명하는 도면(반사 스펙트럼도; 상세).
도 16은 적층막을 이용한 단파장 분파 대응의 분광 이미지 센서의 제1 실시예를 설명하는 구조도.
도 17은 적층막을 이용한 단파장 분파 대응의 분광 이미지 센서의 제1 실시예를 설명하는 반사 스펙트럼도.
도 18은 적층막을 이용한 단파장 분파 대응의 분광 이미지 센서의 제1 변형예를 설명하는 구조도.
도 19는 적층막을 이용한 단파장 분파 대응의 분광 이미지 센서의 제1 변형예를 설명하는 반사 스펙트럼도.
도 20은 적층막을 이용한 단파장 분파 대응의 분광 이미지 센서의 제2 변형예를 설명하는 구조도.
도 21은 적층막을 이용한 단파장 분파 대응의 분광 이미지 센서의 제2 변형예를 설명하는 반사 스펙트럼도.
도 22는 적층막을 이용한 단파장 분파 대응의 분광 이미지 센서의 제3 변형예를 설명하는 구조도.
도 23은 적층막을 이용한 단파장 분파 대응의 분광 이미지 센서의 제3 변형예를 설명하는 반사 스펙트럼도.
도 24는 적층막을 이용한 단파장 분파 대응의 분광 이미지 센서의 제3 변형예에서의 두께 의존성을 설명하는 반사 스펙트럼도.
도 25는 적층막을 이용한 단파장 분파 대응의 분광 이미지 센서의 제4 변형예(그 1)를 설명하는 구조도.
도 26은 적층막을 이용한 단파장 분파 대응의 분광 이미지 센서의 제4 변형예(그 1)를 설명하는 반사 스펙트럼도.
도 27은 적층막을 이용한 단파장 분파 대응의 분광 이미지 센서의 제4 변형예(그 2)를 설명하는 구조도.
도 28은 적층막을 이용한 단파장 분파 대응의 분광 이미지 센서의 제4 변형예(그 2)를 설명하는 반사 스펙트럼도.
도 29는 적층막을 이용한 단파장 분파 대응의 분광 이미지 센서의 제5 변형예를 설명하는 구조도.
도 30은 적층막을 이용한 단파장 분파 대응의 분광 이미지 센서의 제5 변형예를 설명하는 반사 스펙트럼도.
도 31은 적층막을 이용한 센서 구조의 분광 이미지 센서를 제조하는 구체적인 프로세스 예를 도시하는 도면.
도 32는 적층막을 이용한 단파장 분파 대응의 분광 이미지 센서의 제6 변형예를 설명하는 구조도.
도 33은 적층막을 이용한 단파장 분파 대응의 분광 이미지 센서의 제6 변형예를 설명하는 구조도.
도 34는 적층막을 이용한 단파장 분파 대응의 분광 이미지 센서의 제6 변형예를 설명하는 구조도.
도 35는 적층막을 이용한 단파장 분파 대응의 분광 이미지 센서의 제6 변형예를 설명하는 구조도.
도 36은 적층막을 이용한 단파장 분파 대응의 분광 이미지 센서의 제6 변형예를 설명하는 도면.
도 37은 적층막을 이용한 단파장 분파 대응의 분광 이미지 센서의 제6 변형예를 설명하는 반사 스펙트럼도.
도 38은 적층막을 이용한 단파장 분파 대응의 분광 이미지 센서의 제6 변형예를 설명하는 반사 스펙트럼도.
도 39는 고체 촬상 소자의 제2 실시예를 설명하는 도면.
도 40은 회절 격자를 이용한 분광 이미지 센서의 기본 구성을 설명하는 개념도.
도 41은 도 40에 도시한 분광 이미지 센서의 1개의 포토 다이오드군을 확대 하여 도시한 도면.
도 42는 회절 격자를 Si 기판의 입사면 측에 배치한 분파 이미지 센서의 다른 실시예(적외광 대응)를 설명하는 도면.
도 43은 적외광 대응의 분광 이미지 센서에서 사용하는 Si의 굴절률과 감쇠 계수의 파장 분산의 관계를 나타내는 도표.
도 44는 도 42에 도시하는 구조를 갖는 분광 이미지 센서에 수광면으로부터 청색광(파장 460㎚)을 넣었을 때의 분광 방법을 설명하는 계산 시뮬레이션도.
도 45는 도 42에 나타내는 구조를 갖는 분광 이미지 센서에 수광면으로부터 녹색광(파장 540㎚)을 넣었을 때의 분광 방법을 설명하는 계산 시뮬레이션도.
도 46은 도 42에 도시하는 구조를 갖는 분광 이미지 센서에 수광면으로부터 적색광(파장 640㎚)을 넣었을 때의 분광 방법을 설명하는 계산 시뮬레이션도.
도 47은 도 42에 도시하는 구조를 갖는 분광 이미지 센서에 수광면으로부터 적외광(파장 780㎚)을 넣었을 때의 분광 방법을 설명하는 계산 시뮬레이션도.
도 48은 도 42에 도시하는 구조를 갖는 분광 이미지 센서에 수광면으로부터 적외광(파장 880㎚)을 넣었을 때의 분광 방법을 설명하는 계산 시뮬레이션도.
도 49는 시뮬레이션 결과에 기초하는 가시광과 적외광과의 분광에서의 검출 위치의 적정예를 설명하는 도면.
도 50은 도 49의 검출 위치에 대응한 적외광 대응의 센서 구조의 일 구성예를 도시하는 단면도.
도 51은 고체 촬상 소자의 제3 실시예를 설명하는 도면.
도 52는 가시광 성분에 적외광 성분이 혼입되는 문제를 설명하는 도면(그 1).
도 53은 가시광 성분에 적외광 성분이 혼입되는 문제를 설명하는 도면(그 2).
도 54는 가시광 성분에 적외광 성분이 혼입되는 문제를 설명하는 도면(그 3).
도 55는 가시광 성분에 적외광 성분이 혼입되는 문제를 설명하는 도면(그 4).
도 56은 가시광 성분에 적외광 성분이 혼입되는 문제를 설명하는 도면(그 5).
도 57은 가시광 성분에 적외광 성분이 혼입되는 문제를 설명하는 도면(그 6).
도 58은 가시광 성분에 적외광 성분이 혼입되는 문제를 설명하는 도면(그 7).
도 59는 가시광 성분에 적외광 성분이 혼입되는 것에 의한 색 재현성의 영향을 설명하는 도면(그 1).
도 60은 가시광 성분에 적외광 성분이 혼입되는 것에 의한 색 재현성의 영향을 설명하는 도면(그 2).
도 61은 보정 연산용의 색 분리 필터의 제1 구체예의 배치를 도시하는 도면.
도 62는 도 61에 도시한 색 분리 필터의 배치를 갖는 CCD 고체 촬상 소자의 구성예를 설명하는 도면(사시도).
도 63은 적외광과 가시광의 2개의 파장 성분을, 동시에 상으로서 따로따로 촬상할 수 있도록 한 CCD 고체 촬상 소자의 구성예를 설명하는 도면(단면 구조도).
도 64는 제1 구체예에서 이용하는 색 필터의 특성예를 도시하는 도면.
도 65는 보정 연산에서 이용하는 계수의 설정 방법을 설명하는 도면(그 1).
도 66은 보정 연산에서 이용하는 계수의 설정 방법을 설명하는 도면(그 2).
도 67은 보정 연산에서 이용하는 계수의 설정 방법을 설명하는 도면(그 3).
도 68은 보정 연산용의 색 분리 필터의 제2 구체예의 배치를 도시하는 도면.
도 69는 도 68에 도시한 색 분리 필터의 배치를 갖는 CCD 고체 촬상 소자의 구성예를 설명하는 도면(사시도).
도 70은 제2 구체예에서의 적외광 성분의 보정 방법을 설명하는 도면.
도 71은 제2 구체예의 제3 예의 보정 방법을 설명하는 도면(그 1).
도 72는 제2 구체예의 제3 예의 보정 방법을 설명하는 도면(그 2).
도 73은 보정 연산용의 색 분리 필터의 제3 구체예의 배치를 도시하는 도면.
도 74는 도 73에 도시한 색 분리 필터의 배치를 갖고 적외광과 가시광의 2개의 파장 성분을, 동시에 상으로서 따로따로 촬상할 수 있도록 한 CCD 고체 촬상 소자의 구성예를 설명하는 도면(사시도).
도 75는 해상도 저하를 고려한 화소 배열을 설명하는 도면(그 1).
도 76은 흑색 필터의 투과 스펙트럼 특성의 일례를 도시하는 도면.
도 77은 해상도 저하를 고려한 화소 배열을 설명하는 도면(그 2).
도 78은 해상도 저하를 고려한 화소 배열을 설명하는 도면(그 3).
도 79는 해상도 저하를 고려한 화소 배열을 설명하는 도면(그 4).
도 80은 해상도 저하를 고려한 화소 배열을 설명하는 도면(그 5).
도 81은 해상도 저하를 고려한 화소 배열을 설명하는 도면(그 6).
도 82는 실험에서 이용한 흑백 카메라의 개요를 도시하는 도면.
도 83은 실험용 카메라와 색 필터의 분광 감도 특성도.
도 84는 G색 및 적외광 컷트 필터와 보정 화소에 이용하는 흑색 필터의 각 투과 스펙트럼도.
도 85는 측색의 지표로서 사용하는 맥베스 차트에서의 색표 번호(1사이클; 24색분)의 대응을 도시하는 도면.
도 86은 실험용 카메라와 녹색 필터 G를 이용하여 맥베스 차트를 촬상하여 얻은 미처리의 화상 데이터에 기초하는 화상을 도시하는 도면.
도 87은 도 86에 도시한 촬상 결과의, 맥베스 차트의 색표 번호마다 신호 레벨(실측값)을 도시한 도면.
도 88은 실험용 카메라와 보정 화소로서의 흑색 필터 BK를 이용하여 맥베스 차트를 촬상하여 얻은 미처리의 화상 데이터에 기초하는 화상을 도시하는 도면.
도 89는 흑색 필터 화상에 소정의 계수를 곱한 흑색 보정 화상을 도시하는 도면.
도 90은 흑색 보정 화상을 이용한 G색 화상에 대한 보정 효과의 일례를 나타내는 화상을 도시한 도면.
도 91은 흑색 보정 화상을 이용한 G색 화상에 대한 보정 효과의 일례를 나타내는, 맥베스 차트의 색표 번호마다 신호 레벨(실측값)을 도시한 도면.
도 92는 흑색 보정 화상을 이용한 G색 화상에 대한 고정밀도의 보정 방법의 효과를 나타내는 화상을 도시한 도면.
도 93은 흑색 보정 화상을 이용한 G색 화상에 대한 고정밀도의 보정 방법의, 맥베스 차트의 색표 번호마다 신호 레벨(실측값)을 도시한 도면.
도 94는 백색 보정 화소를 적용하는 경우에서의 실험 시의 환경 조건을 도시하는 도면.
도 95는 통상의 IR 컷트 필터와 의사 MLT 필터의 투과 특성을 도시하는 도면.
도 96은 실험용 카메라와 의사 MLT 필터를 적용한 경우의 색 필터의 분광 감도 특성도.
도 97은 전체의 처리 수순을 도시하는 플로우차트.
도 98은 할로겐 광원(색 온도 3000K)의 환경 하에서 맥베스 차트의 24색을 촬영하여, 연산에서 보정 전후의 색차를 구한 결과를 도시하는 도면.
도 99는 각종 광원에 대하여, 색차의 측정 결과를 정리한 도표.
도 100은 할로겐 광원(색 온도 3000K)에 대하여, 노이즈의 개산값과 실측값을 정리한 도표.
도 101은 형광등에 대하여, 노이즈의 개산값과 실측값을 정리한 도표.
도 102는 특허 문헌 1, 2에 기재된 센서의 구조를 설명하는 도면.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
1 : 유전체 적층막
10 : 분광 필터
11 : 분광 이미지 센서
12 : 단위 화소 매트릭스
14 : 색 필터
101 : CCD 고체 촬상 소자
122 : 수직 전송 CCD
124 : 판독 게이트
126: 수평 전송 CCD
128 : 출력 앰프
201 : CMOS 고체 촬상 소자
205 : 화소내 앰프
207 : 구동 제어부
219 : 수직 신호선
226 : 컬럼 처리부
300 : 촬상 장치
302 : 촬영 렌즈
304 : 광학 로우 패스 필터
310 : 촬상부
312 : 색 필터군
314 : 고체 촬상 소자
320 : 구동부
330 : 촬상 신호 처리부
332 : 전처리부
334 : AD 변환부
336 : 보정 처리부
340 : 화상 신호 처리부
342 : 적외광 보정 처리부
344 : 휘도 신호 처리부
346: 색 신호 처리부
348 : 적외 신호 처리부
360 : 화상 절환 제어부
501 : 회절 격자
502 : 산란체
510 : 분광 이미지 센서
611 : 촬상 소자
624 : 색 필터
[특허 문헌 1] 미국 특허 제5965875호
[특허 문헌 2] 일본 특개 2004-103964호 공보
[특허 문헌 3] 일본 특개평 10-210486호 공보
[특허 문헌 4] 일본 특개 2002-369049호 공보
[특허 문헌 5] 일본 특개평 06-121325호 공보
[특허 문헌 6] 일본 특개평 09-166493호 공보
[특허 문헌 7] 일본 특개평 09-130678호 공보
[특허 문헌 8] 일본 특개 2000-59798호 공보
[특허 문헌 9] 일본 특개 2003-70009호 공보
[특허 문헌 10] 일본 특개 2002-142228호 공보
[특허 문헌 11] 일본 특원 2004-358139호
[특허 문헌 12] 일본 특원 2004-250049호
[특허 문헌 13] 일본 특개 2001-69519호
본 발명은, 물리 정보 취득 방법, 물리 정보 취득 장치 및 반도체 장치 에 관한 것이다. 더욱 상세하게는, 예를 들면 광이나 방사선 등의 외부로부터 입력되는 전자파에 대하여 감응성을 갖는 복수의 단위 구성 요소가 배열되어 이루어지고, 단위 구성 요소에 의해 전기 신호로 변환된 물리량 분포를 전기 신호로서 판독 가능한 물리량 분포 검지의 반도체 장치를 이용한 고체 촬상 장치 등에의 적용에 적 합한 신호 취득 기술에 관한 것이다. 특히 주요 파장 영역(전형예는 가시광 영역)에 누설되는 불필요 파장(전형예는 가시광에 대한 적외광이나 자외광) 영역 성분의 영향을 배제하는 구조에 관한 것이다.
광이나 방사선 등의 외부로부터 입력되는 전자파 등의 물리량 변화에 대하여 감응성을 갖는 단위 구성 요소(예를 들면 화소)를 라인 형상 혹은 매트릭스 형상으로 복수개 배열해서 이루어지는 물리량 분포 검지 반도체 장치가 다양한 분야에서 사용되고 있다.
예를 들면, 영상 기기의 분야에서는, 물리량의 일례인 광(전자파의 일례)의 변화를 검지하는 CCD(Charge Coupled Device)형 혹은 MOS(Metal Oxide Semiconductor)나 CMOS(Complementary Metal-oxide Semiconductor)형의 고체 촬상 장치가 사용되고 있다. 이들은, 단위 구성 요소(고체 촬상 장치에 있어서는 화소)에 의해 전기 신호로 변환된 물리량 분포를 전기 신호로서 판독한다.
예를 들면, 고체 촬상 장치는, 디바이스부의 촬상부(화소부)에 설치되어 있는 광전 변환 소자(수광 소자; 포토 센서)인 포토 다이오드에 의해, 광이나 방사선 등의 외부로부터 입력되는 전자파를 검지하여 신호 전하를 생성·축적하고, 이 축적된 신호 전하(광 전자)를, 화상 정보로서 판독한다.
또한 최근에는, 가시광에 의한 상과 적외광에 의한 상을 촬상하는 구조가 제안되어 있다(예를 들면 특허 문헌 1∼9를 참조). 예를 들면 적외선의 발광점을 미리 준비하여 그것을 추적함으로써, 가시광의 상 중에 있는 적외광의 발광점의 위치를 검출할 수 있다. 또한 가시광이 없는, 예를 들면 야간에 있어서도 적외광을 조 사하여 촬상함으로써 선명한 상을 얻을 수 있다. 또한, 가시광 외에 적외광을 도입함으로써 감도를 향상시킬 수 있다.
특허 문헌 1, 2에 기재된 구조는, 반도체의 깊이 방향에서의 파장에 따른 흡수 계수의 차이를 이용한 단판식의 것이다.
또한 특허 문헌 3∼5에 기재된 구조는, 입력 광학계에 파장 분리용의 미러나 프리즘 등의 파장 분해 광학계를 사용하여, 가시광과 적외광을 개별의 촬상 소자에서 수광하는 다판식의 것이다.
또한 특허 문헌 6에 기재된 구조는, 입력 광학계에 회전식의 파장 분해 광학계를 사용하여, 가시광과 적외광을 동일한 촬상 소자에서 수광하는 단판식의 것이다. 예를 들면, 적외광 컷트 필터의 삽입/발출을 회전 기구적으로 행하여, 적외광 컷트 필터를 삽입하고 있는 경우에는 근적외광 및 적외광의 영향이 없는 가시광 컬러 화상을, 적외광 컷트 필터를 발출하고 있는 경우에는 가시광 및 근적외광의 광 강도를 가산한 화상을 출력한다.
또한 특허 문헌 7에 기재된 구조는, 입력 광학계에 파장 분해 기능을 갖는 조리계 광학계를 사용하여, 가시광과 적외광을 동일한 촬상 소자에서 수광하는 것이다.
또한 특허 문헌 8에 기재된 구조는, 근적외광 및 가시광에 감도를 갖는 촬상 소자 상에, 근적외광을 투과하는 컬러 필터를 배치하면서, 적외 컷트 필터의 위치를, 촬상 소자에의 입사광이 적외 컷트 필터를 통과하는 위치와 통과하지 않는 위치 사이에서 조정하는 조정 수단을 설치하고, 적외 컷트 필터의 위치를 절환함으로 써, 근적외광에 의한 촬영용과 가시광에 의한 촬영용에 공용할 때에, 촬상 소자의 근적외광 영역의 감도와 가시광 영역의 감도와의 양쪽을 유효하게 활용하는 구조로 하고 있다.
또한 특허 문헌 9에 기재된 구조는, 적외광의 영향을 배제하기 위해 색차 신호나 휘도 신호의 값에 대한 적외광의 영향 정도에 따라서 색차 신호 및/또는 휘도 신호의 값을 감소시키는 보정을 행하도록 하고 있다. 일례로서, 색 필터가 마젠타, 녹, 시안, 황의 각 보색 필터인 경우에, 색차 신호 R-Y나 마젠타 및 황의 각 색 출력 신호에 대하여 보정을 행하도록 하고 있다.
도 102는, 특허 문헌 1, 2에 기재된 센서의 구조를 설명하는 도면으로서, 도 102의 (A)는 반도체층의 광 흡수 스펙트럼 특성을 도시하는 도면, 도 102의 (B)는, 디바이스의 단면 구조의 모식도이다.
이 구조에서는，Si(실리콘) 반도체의 광의 흡수 계수가 도 102의 (A)에 도시하는 바와 같이 청, 녹, 적, 적외광의 순으로 작아지는, 즉 입사광 L1에 포함되는 청색광, 녹색광, 적색광, 및 적외광에 관해서는, 반도체의 깊이 방향에서 파장에 따른 장소 의존성을 나타내는 것을 이용하여, 도 102의 (B)에 도시하는 바와 같이, Si 반도체의 표면으로부터 깊이 방향으로 가시광(청, 녹, 적) 및 적외광의 각 색광을 검출하기 위한 층을 순차적으로 형성하고 있다.
그러나, 파장에 따른 흡수 계수의 차이를 이용한 특허 문헌 2에 기재된 구조에서는, 이론상 검지할 수 있는 광량이 저하하지 않지만, 청색광을 검지하는 층에 서는 적색광이나 녹색광이 통과할 때에 어느 정도 흡수를 받기 때문에 그들 광이 청색광으로서 검지되게 된다. 이 때문에, 청의 신호가 본래 없는 경우라도 녹이나 적의 신호가 들어감으로써 청에도 신호가 들어가 의사 신호가 발생하게 되므로, 충분한 색 재현성을 얻을 수 없다.
이것을 피하기 위해서는, 3원색 전체에서 계산에 의한 신호 처리로 보정을 행할 필요가 있어, 계산에 필요한 회로가 별도로 필요하게 되므로, 그 만큼 회로 구성이 복잡·대규모로 되며, 또한 코스트적으로 높아진다. 또한, 예를 들면 3원색 중 어느 1색이 포화되면 그 포화된 광의 본래의 값을 알지 못하게 됨으로써 계산이 빗나가게 되어, 결과적으로 본래의 색과는 다르게 신호를 처리하게 된다.
또한, 도 102의 (A)에 도시하는 바와 같이, 대부분의 반도체는 적외광에 대하여 흡수 감도를 갖는다. 따라서, 예를 들면 Si 반도체를 이용한 고체 촬상 장치(이미지 센서) 등에서는 통상적으로, 감색 필터의 일례로서 글래스제의 적외광 컷트 필터를 센서 앞에 넣을 필요가 있다.
따라서, 적외광만, 혹은 가시광과 적외광을 신호로서 수취하여 촬상하기 위해서는, 적외광 컷트 필터를 제거하거나, 적외광의 컷트하는 비율을 낮게 할 필요가 있다.
그런데, 이와 같이 하면, 적외광이 가시광에 섞여 광전 변환 소자에 입사하게 되므로, 가시광의 상의 색조가 본래의 것과는 서로 다르게 된다. 따라서, 가시광의 상과 적외광만(또는 적외광과 가시광의 혼합)을 동시에 나누어 각각 적절한 화상을 얻는 것이 곤란하다.
또한 상술한 과제와는 별도로, 통상의 고체 촬상 장치와 같이 적외광 컷트 필터를 이용함으로써, 가시광도 다소 컷트되기 때문에 감도가 떨어지게 된다. 또 적외광 컷트 필터를 이용함으로써 코스트가 높아진다.
또 특허 문헌 3∼5에 기재된 구조는, 파장 분리용의 미러나 프리즘 등의 파장 분해 광학계 때문에 입력 광학계가 대규모로 된다.
또 특허 문헌 6, 9에 기재된 구조는, 적외광 컷트 필터의 삽입/발출 기구 때문에, 장치가 대규모로 되고, 적외광 컷트 필터의 조작은 자동적으로 행할 수 없다.
또 특허 문헌 7에 기재된 구조는, 파장 분해 기능을 갖는 조리계 광학계 때문에, 장치가 대규모로 된다. 게다가, 적외선 화상과 가시광선 화상의 양쪽을 동시에 얻을 수 있지만, 이미지 센서로부터는, 이 가시광선 화상 및 적외선 화상을 합성한 전기 신호밖에 출력할 수 없어, 가시광선 화상만 혹은 적외선 화상만을 출력할 수 없다.
또 특허 문헌 8에 기재된 구조는, 색차 신호나 휘도 신호에 대하여 보정을 행하지만, 그 보정은 어디까지나 개산에 의한 것으로, 보정 정밀도가 나쁘다.
본 발명은, 상기 사정을 감안하여 이루어진 것으로, 가시광 영역 등의 주요 파장 영역에 누설되는 적외광이나 자외광 등의 불필요 파장 영역 성분의 영향을 배제하는 새로운 구조를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명에 따른 구조에서는, 우선, 주요 성분인 제1 파장 영역(예를 들면 가 시광 영역)의 성분과 이 제1 파장 영역의 성분과는 다른 제1 파장 영역 성분에 대해서는 불필요 성분으로 되는 제2 파장 영역(예를 들면 적외광 영역)의 성분을 미리 분리하여 제1 검지부에서 검지함과 함께, 적어도 제2 파장 영역의 성분을 포함하는 보정용의 파장 영역의 성분을 제2 검지부에서 검지하는 것으로 한다. 바람직하게는, 이 2개의 검지부는, 동일한 반도체 기판에 탑재된 것인 것이 좋다.
그리고, 제1 검지부에서 검지된 단위 신호를, 제2 검지부에서 검지된 단위 신호를 사용하여, 제2 파장 영역의 성분의 영향 중 적어도 일부를 배제한 제1 파장 영역의 성분에 관한 물리 정보를 취득하는 것이다.
또한, 필요에 따라, 제2 검지부에서 검지되는 제2 파장 영역의 성분의 단위 신호를 사용하여, 제1 파장 영역의 성분의 영향을 배제한 제2 파장 영역의 성분에 관한 물리 정보를 취득하도록 해도 된다. 이 때에도, 필요에 따라, 제1 검지부에서 검지된 단위 신호와 제2 검지부에서 검지된 단위 신호와의 선형연산을 행해도 된다. 이렇게 함으로써, 제1 파장 영역의 성분 및 제2 파장 영역의 성분의 각각에 기초하는 물리 정보를 독립적으로 구할 수 있게 된다.
또한, 보정 연산에 있어서는, 제1 파장 영역의 성분에 포함되는 제2 파장 영역의 성분을 배제한다는 관점으로부터, 제1 검지부에서 검지된 단위 신호로부터, 제2 검지부에서 검지된 단위 신호에 소정의 계수를 곱한 신호 성분을 감산하는 것이 좋다.
또한, 더욱 바람직하게는, 제2 검지부에서 검지된 단위 신호와 제1 검지부에서 검지된 단위 신호와의 곱에 소정의 계수를 곱한 비선형의 신호 성분을 가산함으 로써 보정을 행하면 된다.
여기에서, 「비선형의 신호 성분을 가산함」에 있어서는, 제2 파장 영역의 성분(예를 들면 적외광 성분)을 컷트하는 필터를 설치하지 않는 경우에, 제1 파장 영역의 성분이 커지는 만큼을 보정하여 동등한 신호 레벨로 하는 것을 목적으로 한 보정과, 색차가 작아지도록 하는 것을 목적으로 한 보정이 있으며, 각 보정 목적에 따라 계수의 부호(플러스/마이너스)이나 값, 나아가서는 보정 연산식을 최적화한다. 일례로서, 2차식이나 그 밖의 다차식 외에, 절대값식 등, 비선형의 신호 성분인 한, 다양한 보정식을 적용할 수 있다.
또한，제2 검지부에서 검지되는 보정용의 파장 영역의 성분이 제1 파장 영역의 성분을 포함하지 않는 것이면 간단한 감산 처리로 되지만, 제2 검지부에서 검지되는 보정용의 파장 영역의 성분이 제1 파장 영역의 성분도 포함하는 것인 경우에는, 그 감산 처리에 앞서, 제2 검지부에서 검지되는 보정용의 파장 영역의 성분에 포함되는 제1 파장 영역의 성분을 배제해 둘 필요가 있다. 이 배제에 있어서는, 제2 검지부에서 검지된 단위 신호로부터, 제1 검지부에서 검지된 단위 신호에 소정의 계수를 곱한 신호 성분을 감산하는 것이 좋다.
또한, 보정용의 파장 영역의 성분을 검지하는 제2 검지부를 설치함에 있어서는, 본래 목적의 신호를 취득하기 위한 제1 검지부와의 배치 관계에 유의하는 것이 좋다. 예를 들면, 복수의 제1 검지부에 대하여 1개의 제2 검지부를 배치해도 되고, 제1 검지부와 제2 검지부가 일정한 수비를 갖고 주기적(예를 들면 제1 검지부와 제2 검지부가 1대 1)으로 배치해도 된다.
또한, 제1 검지부는 제1 파장 영역의 성분을 더욱 파장 분리하여 검지하는 복수의 검지 요소의 조합으로 이루어지는 것으로 할 수 있다. 예를 들면, 컬러 화상을 촬상하기 위해 색 분리하는 것이 그 전형예이다.
이 경우, 컬러 화상에서의 해상도를 저하시키지 않고 보정을 행하도록 하기 위해서는, 제1 검지부의 복수의 검지 요소와 제2 검지부를 2차원 격자 형상으로 배치하며, 또한, 복수의 검지 요소 중의 임의의 파장 성분을 검지하는 것이 체크 모양으로 되도록 배치하는 것이 좋다.
또한, 제2 검지부에서 검지되는 제2 파장 영역의 성분의 단위 신호를 사용하여, 제1 파장 영역의 성분의 영향을 배제한 제2 파장 영역의 성분에 관한 물리 정보를 취득함에 있어서, 이 제2 파장 영역의 성분에 관한 물리 정보에서의 해상도를 저하시키지 않도록 하기 위해서는, 제1 검지부의 복수의 검지 요소와 제2 검지부를 2차원 격자 형상으로 배치하며, 또한, 제2 검지부가 체크 모양으로 되도록 배치하는 것이 좋다.
<실시예>
이하, 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 대하여 상세하게 설명한다.
<기본 개념>
도 1은, 보정 연산에 의해 가시광 컬러 화상과 적외광 화상을 각각 독립적으로 구하는 것을 항상 가능하게 하는 색 분리 필터의 배치예의 기본 구조를 도시하는 도면이다. 여기에서는, 가시광 컬러 화상용에 색 필터(C1, C2, C3)(모두 제1 파장 영역 성분을 투과)의 3개의 파장 영역(색 성분)용의 것과, 색 필터(C1, C2, C3)의 성분과는 다른 제2 파장 영역의 성분으로서 적외광용의 색 필터(C4)와 같은 별개의 필터 특성을 갖는 4종류의 색 필터를 규칙적(본 예에서는 정방 격자 형상)으로 배치하고 있다. 색 필터(C1, C2, C3, C4)를 통하여 대응하는 검지부에서 검지함으로써, 각각의 성분을 독립해서 검지할 수 있다. 색 필터(C1, C2, C3)가 배치되는 검지부가 제1 검지부이며, 색 필터(C4)가 배치되는 검지부가 제2 검지부이다. 또한, 색 필터(C1, C2, C3)가 배치되는 검지부(검지 요소)는, 제1 파장 영역을 더욱 파장 분리하여 검지하기 위한 것이다.
또한，색 필터(C1, C2, C3)는, 예를 들면, 가시광대 내의 임의의 색 성분에서 투과율이 대략 1, 그 이외에서 대략 제로로 하는 원색 필터로 한다. 예를 들면, 가시광 VL(파장 λ=380∼780㎚)의 3원색인 청색 성분 B(예를 들면 파장 λ=400∼500㎚에서 투과율이 대략 1, 그 이외에서 대략 제로), 녹색 성분 G(예를 들면 파장 λ=500∼600㎚에서 투과율이 대략 1, 그 이외에서 대략 제로), 적색 성분 R(예를 들면 파장 λ=600∼700㎚에서 투과율이 대략 1, 그 이외에서 대략 제로)을 중심으로 하는 원색 필터이어도 된다.
혹은, 색 필터(C1, C2, C3)는, 가시광대 내의 임의의 색 성분에서 투과율이 대략 제로, 그 이외에서 대략 1의 투과율을 갖는 보색계의 색 필터로 한다. 예를 들면, 황 Ye(예를 들면 파장 λ=400∼500㎚에서 투과율이 대략 제로, 그 이외에서 대략 1), 마젠타 Mg(예를 들면 파장 λ=500∼600㎚에서 투과율이 대략 제로, 그 이외에서 대략 1), 시안 Cy(예를 들면 파장 λ=600∼700㎚에서 투과율이 대략 제로, 그 이외에서 대략 1) 등, 가시광의 3원색 성분에 대하여 대략 제로의 투과율을 갖 는 보색계의 색 필터이어도 된다.
보색계의 색 필터는 원색계의 색 필터보다도 감도가 높기 때문에, 가시 영역의 투과광이 3원색 각각의 보색인 보색계의 색 필터를 사용함으로써 촬상 장치의 감도를 높일 수 있다. 반대로, 원색계의 색 필터를 이용함으로써, 차분 처리를 행하지 않아도 원색의 색 신호를 취득할 수 있어, 가시광 컬러 화상의 신호 처리가 간이하게 되는 이점이 있다.
또한, 투과율이 “대략 1”이라는 것은, 이상적인 상태를 말한 것으로, 그 파장 영역에서의 투과율이 그 밖의 파장 영역에서의 투과율보다도 훨씬 큰 것이면 된다. 일부에 “1”이 아닌 투과율이 있어도 된다. 또한, 투과율이 “대략 제로”인 것에 대해서도, 마찬가지로 이상적인 상태를 말한 것으로, 그 파장 영역에서의 투과율이 그 밖의 파장 영역에서의 투과율보다도 훨씬 작은 것이면 된다. 일부에 “제로”가 아닌 투과율이 있어도 된다.
또한, 원색계 및 보색계는 모두, 가시광 영역 중의 소정 색(원색 혹은 보색)의 파장 영역 성분을 통과시키는 것이면 되고, 제2 파장 영역인 적외광 영역을 통과시킬지의 여부 즉 적외광 IR에 대한 투과율은 불문이다.
예를 들면, 현상 일반적으로 이용되는 각 색 필터는, 가시광대 내에서는, 예를 들면 R, G, B 각각에 대하여 투과율이 높고 그 밖의 색(예를 들면 R이면 G나 B)의 투과율이 낮지만, 가시광대 외의 투과율에 관해서는 규정 외이며, 통상적으로，그 밖의 색(예를 들면 R이면 G나 B)의 투과율보다도 높고, 예를 들면 각 필터 모두 적외 영역에 감도를 갖고, 적외 영역에서 광의 투과가 있다. 그러나, 본 실시예에 서는, 이러한 가시광대 외에서 투과율이 높은 특성이어도, 영향을 받지 않는다.
한편, 색 필터(C4)는, 적어도 제2 파장 영역(본 예에서는 적외광)의 성분을 포함하는 소정 파장 영역용의 것이면 되고, 제1 방법으로서, 색 필터(C1, C2, C3)를 통과하는 주요 성분(즉 가시광 성분)을 통과시키지 않고 제2 파장 영역(본 예에서는 적외광)만을 통과시키는 것(가시광 컷트 필터)이어도 되며, 제2 방법으로서, 제1 파장 영역(본 예에서는 가시광)으로부터 제2 파장 영역(본 예에서는 적외광)까지의 전역의 성분을 통과시키는 것(전역 통과 필터)이어도 된다. 제2 방법의 경우, 가시광으로부터 적외광(특히 근적외광)까지의 전체 파장의 성분을 통과시킨다고 하는 점에서는, 색 필터(C4)로서는, 사실상, 컬러 필터를 설치하지 않은 구성을 채용할 수 있다.
예를 들면, 적외광을 수광하는 검지 영역의 수광면 측에 가시광 컷트 필터를 넣지 않는 경우, 적외광의 검지 영역측으로 가시광 성분이 누설되며, 이 누설 성분의 가시광 상과 본래의 적외광 화상이 혼재하여 취득된다. 이 혼재한 가시광 상을 배제하여, 가시광의 영향이 거의 없는 적외광 화상을 취득하기 위해서는, 예를 들면, 가시광 성분을 수광하는 3개의 색 화소 R, G, B에서 검지되는 청, 적, 녹의 강도를 감할 필요가 있다.
이에 대하여, 예를 들면, 적외광과 녹색광을 통과시키는 녹색 필터를 가시광 컷트 필터로서 설치함으로써, 적외광용의 검지부로부터는 적외광 IR과 녹색의 가시광 LG의 혼재 성분이 얻어지는데, 녹색광 성분을 수광하는 색 화소 G로부터 얻어지는 녹색 성분과의 차분을 취함으로써, 가시광 VL(여기서는 녹색광 G)의 영향을 거 의 전혀 받지 않는 적외광 IR만의 상을 얻어진다. 녹색 필터를 외광용의 검지부의 수광면 측에 설치할 필요가 있지만, 녹색 필터를 설치하지 않고 3개의 화소 R, G, B에서 검지되는 청, 적, 녹의 강도를 감하는 경우보다도 처리가 간이하게 된다.
또한, 적외광을 통과시켜 가시광만을 흡수하는 흑색 필터를 가시광 컷트 필터로서 설치하면, 가시광을 이 흑색 필터에서 흡수시킴으로써, 적외광용의 검지부로부터는 적외광만의 성분이 얻어져, 차분 처리를 행하지 않아도, 가시광의 영향을 거의 전혀 받지 않는 적외광만의 적외광 화상이 얻어지게 된다.
또한, 색 필터(C1, C2, C3)가 배치되는 화소의 검지부(예를 들면 포토 다이오드 등의 촬상 소자)는, 가시광에 감도를 갖고 있으면 되고, 근적외광에 감도를 가질 필요는 없다. 한편, 색 필터(C4)가 배치되는 화소의 포토 다이오드 등으로 구성되는 검지부는, 본 예의 경우, 적어도 근적외광에 감도를 갖는 것이 필요하다. 또한, 색 필터(C4)가 근적외광만을 통과시키는 가시광 컷트 필터인 경우에는 가시광에 감도를 가질 필요는 없지만, 색 필터(C4)가 전역 통과 필터인 경우에는 가시광에도 감도를 가질 필요가 있다.
또한, 색 필터(C4)가 배치되는 색 화소는, 이 색 필터(C4)가 배치되는 색 화소에 기초하여 얻어지는 제2 파장 영역의 성분에 관한 물리 정보(본 예에서는 적외광 화상) 재현용으로서 사용될 뿐만 아니라, 색 필터(C1, C2, C3)가 배치되는 색 화소에 기초하여 얻어지는 가시광 컬러 화상 재현용의 색 신호에 대하여 보정 화소로서도 사용된다. 색 필터(C4)는, 색 필터(C1, C2, C3)에 대한 보정 색 필터로서 기능하게 되는 것이다.
즉, 가시광 컬러 화상의 재현에 있어서는, 우선, 색 필터(C1, C2, C3)가 배치되는 색 화소로부터 제1 파장 영역의 신호 성분 SC1, SC2, SC3을, 이 제1 파장 영역의 성분과는 다른 제2 파장 영역(적외)의 성분으로부터 사실상 분리하여, 각각 독립된 검지 영역에서 검지한다. 또한, 적어도 제2 파장 영역(적외)의 성분을 포함하는 소정 파장 영역(적외만 또는 전역)의 신호 성분 SC4를 또 다른 검지 영역에서 검지한다.
그리고, 각 신호 성분 SC1, SC2, SC3을, 신호 성분 SC4를 사용하여 보정함으로써, 제2 파장 영역(적외)의 성분의 영향을 배제한, 제1 파장 영역의 성분(가시광 성분)에 관한 화상(여기서는 가시광 컬러 화상)을 재현하기 위한 각 보정 색 신호 SC1＊，SC2＊，SC3＊을 취득한다.
이 보정 연산에 있어서는, 제1 파장 영역의 신호 성분 SC1, SC2, SC3으로부터, 적어도 제2 파장 영역의 성분을 포함하는 신호 성분 SC4에 소정의 계수 αC1, αC2, αC3을 곱한 신호 성분을 감산한다.
또한, 제2 파장 영역의 성분에 관한 화상(여기서는 적외광에 관한 적외광 화상)은, 신호 성분 SC4로부터 취득할 수 있다. 이 때, 색 필터(C4)가 색 필터(C1, C2, C3)를 통과하는 주요 성분(즉 가시광 성분)을 통과시키지 않고 제2 파장 영역(본 예에서는 적외광)만을 통과시키는 가시광 컷트 필터인 경우에는, 신호 성분 SC4 그 자체가 적외광 화상을 나타낸다. 한편, 색 필터(C4)가 제1 파장 영역(본 예에서는 가시광)으로부터 제2 파장 영역(본 예에서는 적외광)까지의 전역의 성분을 통과시키는 전역 통과 필터인 경우에는, 신호 성분 SC4로부터 신호 성분 SC1, SC2, SC3에 의해 얻어지는 가시광 상의 성분을 감산하면 된다. 또한, 적외광 화상에 관해서는, 적외광과 가시광의 혼재에 의한 상을 취득하도록 해도 된다.
이와 같이 하여, 4종류의 파장 영역(여기서는 4종류의 색 필터를 배치한 각 화소)에서 얻어지는 신호 출력을 매트릭스 연산하면, 가시광 컬러 화상 및 근적외광 화상을 각각 독립적으로 구할 수 있다. 즉, 포토 다이오드 등의 촬상 소자의 각 화소에, 별개의 필터 특성을 갖는 4종류의 색 필터를 배치하고, 4종류의 색 필터를 배치한 각 화소의 출력을 매트릭스 연산함으로써, 근적외광의 영향을 거의 전혀 받지 않는 가시광 컬러 화상을 형성하기 위한 3원색 출력과, 가시광의 영향을 거의 전혀 받지 않는 근적외광 화상을 형성하기 위한 출력을, 각각 독립적으로 또한 동시에 취득할 수 있다.
특히, 가시광 컬러 화상에 관해서는, 적외광의 누설에 의한 색 재현의 불량을 연산 처리로 보정함으로써, 어두운 곳에서 감도가 높고, 또한 색 재현이 양호한 촬상이 가능하게 된다. 적외광에 가까운 적색의 신호 성분이 커지는 현상이나 영상의 붉은 부분에서 휘도가 높아지는 현상을 완화시킬 수도 있어, 특별한 촬상 소자나 기구를 이용하지 않아도, 저코스트로 색 재현성의 향상과 저조도 시의 감도 업의 밸런스를 취할 수 있다.
또한, 감색 필터의 일례로서 두께나 무게가 있는 고가의 글래스제의 광학 부재를 결상 광학계의 광로 상의 센서 앞에 넣을 필요가 없어진다. 고가의 적외광 컷트 필터를 불필요하게 함으로써, 광학계를 경량이며 또한 컴팩트하게 할 수 있고 코스트를 대폭 저감할 수 있다. 물론, 적외광 컷트 필터의 삽입/발출 기구가 불필 요하여, 장치가 대규모로 되는 경우도 없다.
또한 적외광 컷트 필터가 불필요하게 됨으로써 고감도화도 달성된다. 적외광 컷트 필터 없이 컬러 촬상을 행함으로써, 현행의 신호 처리 회로와 조합하면서, 근적외선 영역의 광을 유효하게 이용하여 고감도화를 도모할 수도 있으며, 이 때, 저조도 시에서도, 색 재현성이 양호하게 된다.
가시광 성분에 누설되는 적외광 성분에 의한 가시광 컬러 화상의 색 재현의 불량에 대해서는, 연산 처리에 의해 간단히 보정할 수 있다. 또한, 그 보정 연산에 있어서는, 특허 문헌 9에 기재된 구조와 같은 간단한 개산으로 보정하는 것이 아니라, 적외광 성분을 실측하여, 그 정보를 사용하여 보정하기 때문에, 실제의 촬상 환경 하에서의 적외광의 강도에 따른 적정량으로 보정을 가할 수 있어, 보정 정밀도가 매우 양호하다. 또한, 유저가 촬상 환경에 맞추어 보정량을 조정할 필요가 없어 사용성이 좋다.
<촬상 장치>
도 2는, 본 발명에 따른 물리 정보 취득 장치의 일례인 촬상 장치의 개략적인 구성을 도시하는 도면이다. 이 촬상 장치(300)는, 가시광 컬러 화상 및 근적외광 화상을 독립적으로 얻는 촬상 장치로 되어 있다.
구체적으로는, 촬상 장치(300)는, 피사체 Z의 상을 담지하는 광 L을 촬상부측에 도광하여 결상시키는 촬영 렌즈(302)와, 광학 로우 패스 필터(304)와, 색 필터군(312) 및 고체 촬상 소자(이미지 센서)(314)를 갖는 촬상부(310)와, 고체 촬상 소자(314)를 구동하는 구동부(320)와, 고체 촬상 소자(314)로부터 출력된 각 촬상 신호 SIR(적외광 성분), SV(가시광 성분)를 처리하는 촬상 신호 처리부(330)를 구비하고 있다.
광학 로우 패스 필터(304)는, 되돌림 왜곡을 방지하기 위해서, 나이키스트 주파수 이상의 고주파 성분을 차단하기 위한 것이다. 일반적인 촬상 장치에서는, 이 광학 로우 패스 필터(304)와 적외광 컷트 필터를 병용하지만, 본 구성에서는, 적외광 컷트 필터를 구비하고 있지 않다. 또한, 가시광 컬러 화상 및 근적외광 화상을 독립적으로 얻는 구성으로 하는 경우, 촬영 렌즈(302)를 통하여 입사된 광 L1을 불가시광의 일례인 적외광 IR과 가시광 VL로 분리하는 파장 분리용의 광학 부재(파장 분리 광학계라고 함)를 구비하는 구조가 채용되는 경우도 있지만, 본 구성에서는, 그러한 입사계에서 파장 분리를 행하는 파장 분리 광학계를 구비하고 있지 않다.
고체 촬상 소자(314)는, 2차원 매트릭스 형상으로 형성된 광전 변환 화소군으로 이루어지는 촬상 소자이다. 또한, 본 실시예에서 이용하는 고체 촬상 소자(314)의 구체적인 구성에 대해서는 후술한다.
고체 촬상 소자(314)의 촬상면에서는, 피사체 Z의 상을 담지하는 적외광 IR에 따른 전하나 가시광 VL에 따른 전하가 발생한다. 전하의 축적 동작이나 전하의 판독 동작 등의 동작은, 도시하지 않는 시스템 컨트롤 회로로부터 구동부(320)에 출력되는 센서 구동용의 펄스 신호에 의해 제어된다.
고체 촬상 소자(314)로부터 판독된 전하 신호, 즉 적외광 화상을 담지하는 적외광 촬상 신호 SIR과 가시광 상을 담지하는 가시광 촬상 신호 SVL은 촬상 신호 처리부(330)에 보내져, 소정의 신호 처리가 가해진다.
예를 들면, 촬상 신호 처리부(330)는, 고체 촬상 소자(314)로부터 출력된 센서 출력 신호(가시광 촬상 신호 SVL 및 적외광 촬상 신호 SIR)에 대하여 흑 레벨 조정이나 게인 조정이나 감마 보정 등의 전처리를 행하는 전처리부(332)와, 전처리부(332)로부터 출력된 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환하는 AD 변환부(334)와, 촬영 렌즈(302)에서 발생하는 셰이딩이나 고체 촬상 소자(314)의 화소 결함 등을 보정하는 보정 처리부(336)와, 화상 신호 처리부(340)를 구비하고 있다.
화상 신호 처리부(340)는, 본 실시예의 특징 부분으로서, 가시광 촬상 신호 SVL에 대하여 적외광 촬상 신호 SIR을 사용하여 보정을 가함으로써 보정 가시광 촬상 신호 SVL＊을 생성하는 적외광 보정 처리부(342)를 구비하고 있다. 또한, 화상 신호 처리부(340)는, 적외광 보정 처리부(342)로부터 출력된 보정 가시광 촬상 신호 SVL＊에 기초하여 휘도 신호를 생성하는 휘도 신호 처리부(344)와, 적외광 보정 처리부(342)로부터 출력된 보정 가시광 촬상 신호 SVL＊에 기초하여 색 신호(원색 신호나 색차 신호)를 생성하는 색 신호 처리부(346)와, 적외광 촬상 신호 SIR에 기초하여 적외광 화상을 나타내는 적외광 신호를 생성하는 적외 신호 처리부(348)를 구비하고 있다.
고체 촬상 소자(314)로부터 출력된 촬상 신호는, 촬상 신호 처리부(330)의 전처리부(332)에 의해 소정 레벨로 증폭되고, AD 변환부(334)에 의해 아날로그 신호로부터 디지털 신호로 변환된다. 또한, 가시광 성분의 디지털의 화상 신호는, 적외광 보정 처리부(342)에서 적외광 성분이 억제되며, 또한 휘도 신호 처리 부(344)나 색 신호 처리부(346)에서, 필요에 따라(특히 색 필터(C1, C2, C3)으로서 보색 필터를 사용한 경우) R, G, B의 색 분리 신호로 분리된 후, 휘도 신호나 색 신호 혹은 이것을 합성한 영상 신호 등으로 변환되어 출력된다. 또한, 적외 신호 처리부(348)에서, 필요에 따라(색 필터(C4)로서 흑색 필터를 사용하지 않는 경우) 적외광 촬상 신호 SIR에 대하여 가시광 촬상 신호 SVL을 사용하여 보정이 가해진다.
또한, 적외광 보정 처리부(342)는, 가시광 촬상 신호 SVL에 대하여 적외광 촬상 신호 SIR을 사용하여 보정을 가할 수 있으면 되고, 그 배치 위치는, 이러한 구성에 한정되지 않는다. 예를 들면, AD 변환부(334)와 셰이딩 보정이나 화소 결함 보정을 행하는 보정 처리부(336) 사이에 설치하고, 셰이딩 보정이나 화소 결함 보정 전에 적외광의 영향을 억제하는 보정을 행하도록 해도 된다.
혹은, 전처리부(332)와 AD 변환부(334) 사이에 설치하여, 흑 레벨 조정이나 게인 조정이나 감마 보정 등의 전처리 후에 적외광 억제 처리를 행하도록 해도 되며, 고체 촬상 소자(314)와 전처리부(332) 사이에 설치하여, 흑 레벨 조정이나 게인 조정이나 감마 보정 등의 전처리 전에 적외광 억제 처리를 행하도록 해도 된다.
이러한 구성에 의해, 촬상 장치(300)는, 촬영 렌즈(302)에 의해 적외광 IR을 포함하는 피사체 Z를 나타내는 광학 화상을 받아들이고, 적외광 화상(근적외광 광학 화상)과 가시광 상(가시광 광학 화상)을 분리하지 않고 촬상부(310)에 받아들이며, 촬상 신호 처리부(330)에 의해 이들 적외광 화상과 가시광 상을 각각 영상 신호로 변환한 후에 소정의 신호 처리(예를 들면 R, G, B 성분에의 색 신호 분리 등) 를 행하여, 컬러 화상 신호나 적외광 화상 신호, 혹은 양자를 합성한 혼재 화상 신호로서 출력한다.
예를 들면, 촬영 렌즈(302)는, 파장 380㎚ 정도 내지 2200㎚ 정도까지의 광을 투과할 수 있는 석영 또는 사파이어 등의 광학 재료에 의해 구성되는 렌즈로서, 적외광 IR을 포함하는 광학 화상을 받아들여, 이것을 집광하면서 고체 촬상 소자(314) 상에 결상시킨다.
또한, 본 실시예의 촬상 장치(300)에서는, 촬상부(310)에, 본래의 검지 목적의 파장 성분의 검지에 최적화된 검지부(이미지 센서)를 설치하도록 하는 점에 특징을 갖고 있다. 특히, 본 실시예에서는, 가시광 VL과 적외광 IR 중의 단파장측을 검지하기 위해, 가시광 VL의 검지에 최적화된 고체 촬상 소자(314)가 설치되어 있다.
여기에서 “최적화된 이미지 센서”란, 본래의 검지 목적의 파장 성분의 촬상 신호에, 본래의 검지 목적의 파장 성분 이외가 가능한 한 포함되지 않도록 하는 파장 분리 대응의 영역을 구비한 구조를 갖는 것을 의미한다.
파장 분리 광학계에 의한 광로 상에서의 파장 분리를 구비하지 않아도, 이미지 센서측에서 파장 분리 대응의 구조를 갖도록 함으로써, 광학계를 컴팩트하게 하는 것을 가능하게 하는 점에 특징을 갖고 있다.
이러한 촬상 장치의 구조는, 특허 문헌 3이나 특허 문헌 5와 같이, 파장 분리 광학계로 분리한 각 파장 성분을, 마찬가지의 구조를 갖는 각각 개별의 센서에 입사시킴으로써, 가시광 상과 적외광 화상을 개별로 취득하는 구성과는 다르다.
또한, 특허 문헌 3과 같이, 콜드 미러를 투과한 가시광 성분을 다시 3매의 다이크로익 미러로, 적색 성분, 녹색 성분, 및 청색 성분으로 분리하고, 각각을 개별의 센서에 입사시킴으로써, 가시광 VL에 관하여, R, G, B의 개별의 화상을 취득하는 구조와도 다르다. 특허 문헌 3의 방식에서는, 가시광 VL에 대하여 3개의 센서가 필요하게 되어, 감도 향상은 있지만, 코스트가 증대한다는 문제점이 있다. 본 실시예의 구성에서는 이 문제가 없다.
또한, 특허 문헌 4와 같이, 광로 상에서 2단 구조로 파장 분리를 행하여, 마찬가지의 구조를 갖는 각각 개별의 센서에 입사시킴으로써, 가시광 상과 적외광 화상을 개별로 취득하는 구성과도 다르다. 특허 문헌 4의 방식에서는, 광로 상에서 2단 구조로 파장 분리를 행하기 때문에, 광학계가 대규모로 되는 난점이 있다. 게다가, 감도나 불선명 등의 문제도 갖는다. 본 실시예의 구성에서는 이 문제가 없다.
예를 들면, 본 실시예의 구성에서는, 촬상부(310)에 의한 가시광 VL의 촬상에서, 감색 필터의 일례로서 적외광 컷트 필터를 고체 촬상 소자(314) 앞에 넣을 필요가 없어진다. 고가의 적외광 컷트 필터를 불필요하게 함으로써, 코스트를 대폭 저감할 수 있다. 또한, 두께나 무게가 있는 적외광 컷트 필터를 불필요하게 함으로써, 광학계를 경량이며 또한 컴팩트하게 할 수 있다. 물론, 적외광 컷트 필터의 삽입/발출 기구가 불필요하여, 장치가 대규모로 되는 경우도 없다. 기존의 글래스제의 적외광 컷트 필터를 이용하는 경우에 비하여, 코스트적으로 유리하게 되며, 컴팩트하게 되어 휴대성 등이 우수한 디지털 카메라 등의 촬상 장치를 제공할 수 있다.
또한, 적외광 컷트 필터를 고체 촬상 소자(314) 앞에 넣는 구성에서는, 글래스 기판을 CCD 나 CMOS 등의 촬상 소자의 앞에 넣음으로써 광로의 도중에 공기와 글래스 계면이 발생하게 된다. 따라서, 투과해 주기를 바라는 가시광 VL의 광까지가 그 계면에서 반사되게 되어, 감도 저하를 초래하는 문제가 발생한다. 또한 이러한 계면이 많아짐으로써, 경사 입사에서의(글래스 내에서) 굴절하는 각도가 파장에 따라서 서로 달라, 광로의 변화에 의한 초점 불선명을 야기한다. 이에 대하여 고체 촬상 소자(314)의 앞쪽의 광로 상에 적외광 컷트 필터를 이용하지 않음으로써, 이러한 초점 불선명이 없어진다는 이점이 얻어진다.
또한, 더욱 파장 분리 성능을 향상시키기 위해서, 광학계가 커지게 되는 등의 문제가 발생하게 되지만, 전체에 약한 적외광 컷트 필터를 넣어도 된다. 예를 들면 50% 이하의 적외광 컷트 필터를 넣음으로써 가시광 VL에 대하여 거의 문제가 없는 레벨까지 컷트하면 된다.
어쨌든, 가시광 VL만의 촬상과 적외광 IR만의 촬상, 혹은 가시광 VL만의 촬상과 적외광 IR과 가시광 VL을 혼재시킨 촬상을, 동시에 행하도록 할 수 있다.
대낮에 있어서의 모노크롬 화상 혹은 컬러 화상의 촬상 시에 적외광 IR의 영향을 받지 않으며, 또한, 야간 등에 있어서, 적외광 IR에 의한 촬상이 가능하게 된다. 필요에 따라, 다른쪽의 상도 동시에 출력할 수도 있다. 그 경우에도, 대낮에 있어서, 가시광 VL의 영향을 받지 않는 적외광 IR만의 화상을 얻을 수 있다.
예를 들면 적외광 IR의 영향을 거의 전혀 받지 않는 가시광 VL만의 모노크롬 화상이 얻어진다. 특허 문헌 10에 기재된 구조와는 달리, 적외광 IR의 영향을 거의 전혀 받지 않는 가시광 VL의 모노크롬 화상을 얻을 때에, 적외광 IR의 성분과의 사이에서의 연산 처리가 불필요하다.
또한, 고체 촬상 소자(314) 상에, 가시광 VL내를 소정의 파장 영역 성분으로 분리하는 광학 부재의 일례로서, 가시광 영역에서 소정의 파장 투과 특성을 갖는 색 필터를 화소(단위 화소 매트릭스)에 대응시켜 설치함으로써, 적외광 IR의 영향을 거의 전혀 받지 않는 가시광 영역 중의 특정 파장 영역만의 상이 얻어진다.
또한, 단위 화소 매트릭스를 구성하는 복수의 포토 다이오드 상에 일체적으로, 가시광 영역에서 각각 서로 다른 파장 투과 특성을 갖는 색 필터를, 각 파장 대응(색별)의 포토 다이오드에 위치 정합시켜, 규칙적으로 배열함으로써, 가시광 영역을 파장별(색별)로 분리할 수 있고, 이들 색별의 화소로부터 얻어지는 각 화소 신호에 기초하여 합성 처리를 함으로써, 적외광 IR의 영향을 거의 전혀 받지 않는 가시광 VL만의 컬러 화상(가시광 컬러 화상)이 얻어진다.
특허 문헌 10에 기재된 구조와 같은 간단한 매트릭스 연산과는 달리, 적외광 IR의 영향을 거의 전혀 받지 않는 가시광 VL의 컬러 화상을 얻을 때에, 가시광 영역의 신호 성분 SV로부터 적어도 적외광 영역의 성분을 포함하는 신호 성분 SIR에 소정의 계수 α를 곱한 신호 성분을 감산하는 보정 연산을 행하기 때문에, 가시광 영역의 화소 신호에 포함되는 적외광 성분을 정밀도 좋게 억제할 수 있다.
또한, 특허 문헌 9에 기재된 구조와 같은 간단한 개산으로 보정하는 것이 아니라, 적외광 성분을 실측하고, 그 정보를 사용하여 가시광 성분에 보정을 가하기 때문에, 실정에 의거하여 또한 정밀도 좋게 보정을 행할 수 있다.
이와 같이, 가시광 VL의 모노크롬 화상 혹은 컬러 화상과, “적외광 IR에 관한 상”을 각각 독립적으로 구하는 것이 항상 가능하게 된다. “적외광 IR에 관한 상”이란, 가시광 VL의 영향을 거의 전혀 받지 않는 적외광 IR만의 상이나 적외광 IR과 가시광 VL을 혼재시킨 상을 의미한다.
적외광 IR의 영향을 거의 전혀 받지 않는 가시광 VL만의 촬상(모노크롬 촬상 혹은 컬러 촬상)과, 적외광 IR과 가시광 VL을 혼재시킨 촬상을, 동시에 행하도록 할 수도 있다. 또한, 가시광 VL만의 성분(모노크롬상 성분 혹은 컬러상 성분)과, 적외광 IR과 가시광 VL을 혼재시킨 성분과의 합성 처리(상세하게는 차분 처리)에 의해, 가시광 VL의 영향을 거의 전혀 받지 않는 적외광 IR만의 촬상을 행하도록 할 수도 있다.
또한, 상기에서, “영향을 거의 전혀 받지 않는다”는 것은, 최종적으로 인간의 시각에 의한 것을 고려하여, 일반적으로 인간의 시각에 의해 명확한 차를 관지할 수 없을 정도이면, “영향을 약간 받는” 경우가 있어도 된다. 즉, 적외광 IR측에 대해서는 통과 파장 영역(가시광 VL)의 영향을 무시 가능한 적외 화상(물리 정보의 일례)을 취득할 수 있으면 되고, 가시광 VL측에 대해서는 반사 파장 영역 성분(적외광 IR)의 영향을 무시 가능한 통상 화상(물리 정보의 일례)을 취득할 수 있으면 된다.
또한, 색 필터(C4)로서, 흑색 필터를 사용하지 않는 경우에는, 색 필터(C4)가 배치되는 보정 화소는, 가시광으로부터 적외광까지 넓은 파장 영역에서 감도를 갖게 되기 때문에, 색 필터(C1, C2, C3)가 배치되는 가시광 촬상용의 다른 화소에 비하여, 화소 신호가 포화되기 쉽다.
이 문제를 피하기 위해서는, 색 필터(C4)가 배치되는 제2 검지부의 검지 시간을 구동부(320)에 의해 제어하면 된다. 예를 들면, 밝은 곳에서의 촬상에서는, 전자 셔터 기능을 이용하는 등에 의해, 통상보다도 짧은 주기로 보정 화소의 검지부로부터 화소 신호를 판독하여, 그것을 전처리부(332)에 보내도록 하는 것이 좋다. 이 경우, 60프레임/초보다 높은 레이트로 신호를 보냄으로써 포화에 대하여 효과가 얻어진다.
혹은 단지 0.01667초보다 짧은 시간(축적 시간)에 보정 화소의 검지부로부터 전하를 판독하면 된다. 이 경우, 오버플로를 이용하여 기판 측에 전하 신호를 배출함으로써 실효적으로 짧은 시간에서의 전하의 축적을 판독해도 된다. 더욱 바람직하게는, 240프레임/초보다 높은 레이트로 신호를 보냄으로써 포화에 대하여 효과가 더 있다. 혹은, 단지 4.16밀리초보다 짧은 시간(축적 시간)에 검지부로부터 전하를 판독하면 된다. 어쨌든, 보정 화소의 검지부로부터 출력되는 화소 신호가 포화되기 어렵도록 할 수 있으면 된다. 또한, 이와 같이 포화하지 않도록 짧은 시간(축적 시간)에 전하를 판독하는 것은 보정 화소만 행해도 되고, 전체 화소를 그와 같이 해도 된다.
또한 짧은 시간에 판독한 신호를 2회 이상 적산함으로써, 약한 신호를 강한 신호로 변환하여, S/N비를 높여도 된다. 예를 들면, 이와 같이 함으로써 어두운 부분에서 촬상해도, 또한 밝은 부분에서 촬상해도 적절한 감도와 높은 S/N비가 얻 어져, 다이내믹 레인지가 넓어지게 된다.
<촬상 장치; CCD 대응>
도 3은, 도 1에 도시하는 색 분리 필터 배치를, 인터라인 전송 방식의 CCD 고체 촬상 소자(IT_CCD 이미지 센서)에 적용한 경우의 촬상 장치의 회로도이다.
여기에서, 도 3은, 가시광대 내를 R, G, B의 각 색 성분으로 나누면서 적외광 IR을 검지하도록 한 구조를 도시하며, 가시광 VL 중의 청색광 B, 녹색광 G, 및 적색광 R과, 적외광 IR을, 각각 독립적으로 검지하는 구조로서, 실질적으로는 1개의 단위 화소 매트릭스(12) 내에서 파장별로 화소(광전 변환 소자)(12B, 12G, 12R)를 형성하면서, 파장 분리 구조를 갖고 있지 않은 화소(12IR)를 갖고, 화소(12IR)를 다른 화소에 대하여 보정 화소로서 이용하는 구조이다.
예를 들면, 도 3의 (A)에 도시하는 바와 같이, CCD 고체 촬상 소자(101)는, 단위 화소 매트릭스(12) 외에, 수직 전송 방향으로, 수직 전송 CCD(122)가 복수개 배열되어 설치되어 있다. 수직 전송 CCD(122)의 전하 전송 방향 즉 화소 신호의 판독 방향이 세로 방향(도면 중의 X 방향)이다.
또한, 수직 전송 CCD(122)과 각 단위 화소 매트릭스(12) 사이에는 판독 게이트(124)(파장별로는 124B, 124G, 124R, 124IR)를 이루는 MOS 트랜지스터가 개재되며, 또한 각 유닛 셀(단위 구성 요소)의 경계 부분에는 도시하지 않는 채널 스톱이 설치된다.
또한, 도 3으로부터 알 수 있는 바와 같이, 1개의 단위 화소 매트릭스(12)가, 청색광 B, 녹색광 G, 적색광 B, 및 적외광 IR을 독립적으로 검지하는 구조로 서, 실질적으로는 1개의 단위 화소 매트릭스(12) 내에서 파장(색)별로 화소(12B, 12G, 12R, 12IR)를 형성한 구조이다. 이들 단위 화소 매트릭스(12)를 갖고 구성되는 센서부(112)의 수직 열마다 설치되어, 각 센서부로부터 판독 게이트(124)에 의해 판독된 신호 전하를 수직 전송하는 복수개의 수직 전송 CCD(122)와 센서부(112)에 의해 촬상 에리어(110)가 구성된다.
여기에서, 색 필터(14)의 배열로서는, 예를 들면, 실리콘 기판(1_ω)의 수광면 측에서의, 수직 전송 CCD(122)의 세로 방향(X 방향)으로 청, 녹, 적, IR(보정 화소), 청, 녹, 적, IR(보정 화소), …의 순으로 되며, 또한, 복수의 수직 전송 CCD(122)의 동일 행 방향(Y 방향)으로도, 청, 녹, 적, IR(보정 화소), 청, 녹, 적, IR(보정 화소), …의 순으로 되도록 한다. 또한, 보정 화소를 설치하는 것에 의한 해상도 저하를 고려한 화소 배열로 하는 것도 유효하다(상세 내용은 후술한다).
센서부(112)의 단위 화소 매트릭스(12)(각 화소(12B, 12G, 12R, 12IR))에 축적된 신호 전하는, 판독 게이트(124)에 판독 펄스 ROG에 대응하는 드라이브 펄스 φROG가 인가됨으로써, 동일 수직 열의 수직 전송 CCD(122)에 판독된다. 수직 전송 CCD(122)는, 예를 들면 3상∼8상 등의 수직 전송 클럭 Vx에 기초하는 드라이브 펄스 φVx에 의해서 전송 구동되어, 판독된 신호 전하를 수평 블랭킹 기간의 일부에서 1주사선(1라인)에 상당하는 부분씩 순서대로 수직 방향으로 전송한다. 이 1라인씩의 수직 전송을, 특히 라인 시프트라고 한다.
또한，CCD 고체 촬상 소자(101)에는, 복수개의 수직 전송 CCD(122)의 각 전송처 측단부 즉, 최후의 행의 수직 전송 CCD(122)에 인접하여, 소정(예를 들면 좌 우) 방향으로 연장하는 수평 전송 CCD(126)(H 레지스터부, 수평 전송부)가 1라인분 설치된다. 이 수평 전송 CCD(126)는, 예를 들면 2상의 수평 전송 클럭 H1, H2에 기초하는 드라이브 펄스 φH1, φH2에 의해 전송 구동되어, 복수개의 수직 전송 CCD(122)로부터 전송된 1라인분의 신호 전하를, 수평 블랭킹 기간 후의 수평 주사 기간에서 순차적으로 수평 방향으로 전송한다. 이 때문에 2상 구동에 대응하는 복수개(2개)의 수평 전송 전극이 설치된다.
수평 전송 CCD(126)의 전송처의 단부에는, 예를 들면 플로팅 디퓨전 앰프(FDA) 구성의 전하 전압 변환부를 갖는 출력 앰프(128)가 설치된다. 출력 앰프(128)는, 물리 정보 취득부의 일례로서, 전하 전압 변환부에서, 수평 전송 CCD(126)에 의해 수평 전송되어 온 신호 전하를 순차적으로 전압 신호로 변환하고 소정 레벨로 증폭해서 출력한다. 이 전압 신호는, 피사체로부터의 광의 입사량에 따른 CCD 출력(Vout)으로서 화소 신호가 도출된다. 이상에 의해, 인터라인 전송 방식의 CCD 고체 촬상 소자(101)가 구성된다.
CCD 출력(Vout)으로서 출력 앰프(128)로부터 도출된 화소 신호는, 도 3의 (B)에 도시하는 바와 같이, 촬상 신호 처리부(330)에 입력된다. 촬상 신호 처리부(330)에는, 신호 전환 제어부의 일례인 화상 절환 제어부(360)로부터의 화상 절환 제어 신호가 입력되도록 되어 있다.
화상 절환 제어부(360)는, 촬상 신호 처리부(330)의 출력을 적외광 IR의 영향을 거의 전혀 받지 않는 가시광 VL의 모노크롬 화상이나 컬러 화상과, 가시광 VL의 영향을 거의 전혀 받지 않는 적외광 IR의 화상 중 어느 한쪽만, 혹은 이들의 쌍 방, 혹은 가시광 VL과 적외광 IR의 혼재 화상 즉 적외광 IR의 휘도를 가산한 의사 모노크롬 화상 혹은 의사 컬러 화상으로 할지의 절환을 명령한다. 즉, 가시광 VL의 화상과 적외광 IR에 관한 화상의 동시 촬상 출력이나 절환 촬상 출력을 제어한다.
이 명령은, 촬상 장치를 조작하는 외부 입력에 의해서도 되며, 또한, 촬상 신호 처리부(330)의 적외광 IR이 없는 가시광 휘도에 의해 화상 절환 제어부(360)가 자동 처리에 의해 절환을 명령해도 된다.
여기에서, 촬상 신호 처리부(330)는, 예를 들면, 각 화소의 촬상 데이터 R, G, B, IR을 동시화하는 동시화 처리, 스미어 현상이나 블루밍 현상에 의해 발생하는 세로 줄무늬의 노이즈 성분을 보정하는 세로 줄무늬 노이즈 보정 처리, 화이트 밸런스(WB; White Balance) 조정을 제어하는 WB 제어 처리, 계조 정도를 조정하는 감마 보정 처리, 전하 축적 시간이 서로 다른 2화면의 화소 정보를 이용하여 다이내믹 레인지를 확대하는 다이내믹 레인지 확대 처리, 혹은 휘도 데이터(Y)나 색 데이터(C)를 생성하는 YC 신호 생성 처리 등을 행한다. 이에 의해, 적(R), 녹(G), 청(B)의 원색의 촬상 데이터(R, G, B, IR의 각 화소 데이터)에 기초하는 가시광대의 화상(소위 통상 화상)이 얻어진다.
또한, 촬상 신호 처리부(330)는, 적외광 IR의 화소 데이터를 이용하여, 적외광 IR에 관한 화상을 생성한다. 예를 들면, 가시광 상 취득용의 화소(12R, 12G, 12B)에 대하여 보정 화소로서 기능하는 화소(12IR)에서, 적외광 IR뿐만 아니라 가시광 VL도 동시에 신호에 기여하도록 색 필터(14C)를 넣지 않는 경우에는, 화 소(12IR)로부터의 화소 데이터를 이용함으로써, 고감도의 화상이 얻어진다. 또한, 화소(12R, 12G, 12B)로부터 얻어지는 각 색 성분과의 차분을 취함으로써, 적외광 IR만의 상이 얻어진다.
혹은, 색 필터(14C)로서, 화소(12IR)에 대하여 녹색 필터(14G)를 넣는 경우에는, 화소(12IR)로부터는 적외광 IR과 녹색의 가시광 LG가 혼재하는 상이 얻어지는데, 화소(12G)로부터 얻어지는 녹색 성분과의 차분을 취함으로써, 적외광 IR만의 상이 얻어진다. 혹은, 색 필터(14C)로서 화소(12IR)에 대하여 흑색 필터(14BK)를 설치하는 경우에는, 화소 IR로부터의 화소 데이터를 이용함으로써 적외광 IR만의 상이 얻어진다.
이와 같이 하여 생성된 각 화상은, 도시하지 않는 표시부로 보내져, 조작자에게 가시 화상으로서 제시되거나, 혹은 그대로 하드 디스크 장치 등의 기억 장치에 기억·보존되거나, 또는 그 밖의 기능부에 처리완료 데이터로서 보내진다.
<촬상 장치; CMOS 대응>
도 4는, 도 1에 도시하는 색 분리 필터 배치를, CMOS 고체 촬상 소자(CMOS 이미지 센서)에 적용한 경우의 촬상 장치의 회로도이다.
여기에서, 도 4는, 가시광대 내를 R, G, B의 각 색 성분으로 나누면서 적외광 IR을 검지하도록 한 구조를 도시하며, 가시광 VL 중의 청색광 B, 녹색광 G, 및 적색광 R과, 적외광 IR을, 각각 독립적으로 검지하는 구조로서, 실질적으로는 1개의 단위 화소 매트릭스(12) 내에서 파장별로 화소(광전 변환 소자)(12B, 12G, 12R)를 형성하면서, 파장 분리 구조를 갖고 있지 않은 화소(12IR)를 갖고, 화소(12IR) 를 다른 화소에 대하여 보정 화소로서 이용하는 구조이다.
CMOS에 응용한 경우, 단위 화소 매트릭스(12) 내의 1개 1개의 화소(광전 변환 소자)(12B, 12G, 12R, 12IR)에 대하여 셀 앰프를 1개 갖는 구조로 된다. 따라서 이 경우, 도 4의 (A)와 같은 구조로 된다. 화소 신호는 셀 앰프에서 증폭된 후에 노이즈 캔슬 회로 등을 통하여 출력된다.
예를 들면 CMOS 고체 촬상 소자(201)는, 입사 광량에 따른 신호를 출력하는 수광 소자(전하 생성부의 일례)를 포함하는 복수개의 화소가 행 및 열로 배열된(즉 2차원 매트릭스 형상의) 화소부를 갖고, 각 화소로부터의 신호 출력이 전압 신호로서, CDS(Correlated Double Sampling ；상관 2중 샘플링) 처리 기능부나 디지털 변환부(ADC; Analog Digital Converter) 등이 열 병렬로 설치되어 있는, 소위 전형적인 컬럼형으로 되어 있다.
구체적으로는, 도 4에 도시하는 바와 같이, CMOS 고체 촬상 소자(201)는, 복수의 화소(12)가 행 및 열로 배열된 화소부(촬상부)(210)와, 화소부(210)의 외측에 설치된 구동 제어부(207)와, 컬럼 처리부(226)와, 출력 회로(228)를 구비하고 있다.
또한, 컬럼 처리부(226)의 전단 또는 후단에는, 필요에 따라 신호 증폭 기능을 갖는 AGC(Auto Gain Control) 회로 등을 컬럼 처리부(226)와 동일한 반도체 영역에 설치하는 것도 가능하다. 컬럼 처리부(226)의 전단에서 AGC를 행하는 경우에는 아날로그 증폭, 컬럼 처리부(226)의 후단에서 AGC를 행하는 경우에는 디지털 증폭으로 된다. n비트의 디지털 데이터를 단순하게 증폭하게 되면, 계조가 손상되게 될 가능성이 있기 때문에, 어느 쪽인가 하면 아날로그에서 증폭한 후에 디지털 변환하는 것이 바람직하다고 생각된다.
구동 제어부(207)는, 화소부(210)의 신호를 순차적으로 판독하기 위한 제어 회로 기능을 구비하고 있다. 예를 들면, 구동 제어부(207)로서는, 열 어드레스나 열 주사를 제어하는 수평 주사 회로(열 주사 회로)(212)와, 행 어드레스나 행 주사를 제어하는 수직 주사 회로(행 주사 회로)(214)와, 외부와의 사이에서의 인터페이스 기능이나 내부 클럭을 생성하는 등의 기능을 갖는 통신·타이밍 제어부(220)를 구비하고 있다.
수평 주사 회로(212)는, 컬럼 처리부(226)로부터 카운트값을 판독하는 판독 주사부의 기능을 갖는다. 이들 구동 제어부(207)의 각 요소는, 화소부(210)와 함께, 반도체 집적 회로 제조 기술과 마찬가지의 기술을 이용하여 단결정 실리콘 등의 반도체 영역에 일체적으로 형성되어, 반도체 시스템의 일례인 고체 촬상 소자(촬상 디바이스)로서 구성된다.
도 4에서는, 간단히 하기 위해 행 및 열의 일부를 생략해서 도시하고 있지만, 현실에는, 각 행이나 각 열에는, 수십 내지 수천의 화소(12)가 배치된다. 이 화소(12)는, 전형적으로는, 수광 소자(전하 생성부)로서의 단위 화소 매트릭스(12)와, 증폭용의 반도체 소자(예를 들면 트랜지스터)를 갖는 화소내 앰프(셀 앰프; 화소 신호 생성부)(205)(파장별로는 205B, 205G, 205R, 205IR)로 구성된다.
또한, 도 4로부터 알 수 있는 바와 같이, 1개의 단위 화소 매트릭스(12)가, 청색광 B, 녹색광 G, 적색광 R, 및 적외광 IR을 독립적으로 검지하는 구조로서, 실 질적으로는 1개의 단위 화소 매트릭스(12) 내에서 파장(색)별로 화소(12B, 12G, 12R, 12IR)를 형성한 구조이다.
여기에서, 색 필터(14)의 배열로서는, 예를 들면, 실리콘 기판(1_ω)의 수광면 측에서의 X 방향으로 청, 녹, 적, IR(보정 화소), 청, 녹, 적, IR(보정 화소), …의 순으로 되며, 또한 X 방향과 직교하는 Y 방향으로도, 청, 녹, 적, IR(보정 화소), 청, 녹, 적, IR(보정 화소), …의 순으로 되도록 한다. 또한, 보정 화소를 설치하는 것에 의한 해상도 저하를 고려한 색 배열로 하는 것도 유효하다(상세 내용은 후술한다).
화소내 앰프(205)로서는, 예를 들면 플로팅 디퓨전 앰프 구성의 것이 이용된다. 일례로서는, 전하 생성부에 대하여, 전하 판독부(전송 게이트부/판독 게이트부)의 일례인 판독 선택용 트랜지스터, 리세트 게이트부의 일례인 리세트 트랜지스터, 수직 선택용 트랜지스터, 및 플로팅 디퓨전의 전위 변화를 검지하는 검지 소자의 일례인 소스 폴로어 구성의 증폭용 트랜지스터를 갖는, CMOS 센서로서 범용적인 4개의 트랜지스터로 이루어지는 구성의 것을 사용할 수 있다.
혹은, 특허 제2708455호 공보에 기재된 바와 같이, 전하 생성부에 의해 생성된 신호 전하에 대응하는 신호 전압을 증폭하기 위한, 드레인선(DRN)에 접속된 증폭용 트랜지스터와, 화소내 앰프(205)를 리세트하기 위한 리세트 트랜지스터와, 수직 시프트 레지스터로부터 전송 배선(TRF)을 통하여 주사되는 판독 선택용 트랜지스터(전송 게이트부)를 갖는, 3개의 트랜지스터로 이루어지는 구성의 것을 사용할 수도 있다.
화소(12)는, 행 선택을 위한 행 제어선(215)을 통하여 수직 주사 회로(214)와, 또한 수직 신호선(219)을 통하여 컬럼 처리부(226)와, 각각 접속되어 있다. 여기에서, 행 제어선(215)은 수직 주사 회로(214)로부터 화소에 들어가는 배선 전반을 나타낸다. 일례로서, 이 행 제어선(215)은, 장척 형상의 산란체(3)에 대하여 평행한 방향으로 배치된다.
수평 주사 회로(212)나 수직 주사 회로(214)는, 예를 들면 시프트 레지스터나 디코더를 포함해서 구성되며, 통신·타이밍 제어부(220)로부터 부여되는 제어 신호에 응답해서 어드레스 선택 동작(주사)을 개시하도록 되어 있다. 이 때문에, 행 제어선(215)에는, 화소(12)를 구동하기 위한 여러 가지의 펄스 신호(예를 들면, 리세트 펄스 RST, 전송 펄스 TRF, DRN 제어 펄스 DRN 등)가 포함된다.
통신·타이밍 제어부(220)는, 도시하지 않지만, 각 부의 동작에 필요한 클럭이나 소정 타이밍의 펄스 신호를 공급하는 타이밍 제너레이터 TG(판독 어드레스 제어 장치의 일례)의 기능 블록과, 단자(220a)를 통하여 마스터 클럭 CLK0을 수취하며, 또한 단자(220b)를 통하여 동작 모드 등을 명령하는 데이터 DATA를 수취하고, 또한 CMOS 고체 촬상 소자(201)의 정보를 포함하는 데이터를 단자(220c)를 통하여 출력하는 통신 인터페이스의 기능 블록을 구비한다.
예를 들면, 수평 어드레스 신호를 수평 디코더에, 또한 수직 어드레스 신호를 수직 디코더에 출력하고, 각 디코더는, 그것을 받아서 대응하는 행 혹은 열을 선택하여, 구동 회로를 통하여 화소(12)나 컬럼 처리부(226)를 구동한다.
이 때, 화소(12)를 2차원 매트릭스 형상으로 배치하고 있기 때문에, 화소내 앰프(화소 신호 생성부)(205)에 의해 생성되어 수직 신호선(219)을 통하여 열 방향으로 출력되는 아날로그의 화소 신호를 행 단위로(열 병렬로) 액세스하여 받아들이는 (수직) 스캔 판독을 행하고, 이 후에, 수직 열의 배열 방향인 행 방향으로 액세스하여 화소 신호(예를 들면 디지털화된 화소 데이터)를 출력측으로 판독하는 (수평) 스캔 판독을 행하도록 함으로써, 화소 신호나 화소 데이터의 판독의 고속화를 도모하는 것이 좋다. 물론, 스캔 판독에 한하지 않고, 판독하고 싶은 화소(12)를 직접 어드레스 지정함으로써, 필요한 화소(12)의 정보만을 판독하는 랜덤 액세스도 가능하다.
또한, 통신·타이밍 제어부(220)에서는, 단자(220a)를 통하여 입력되는 마스터 클럭(마스터 클럭) CLK0과 동일한 주파수의 클럭 CLK1이나, 그것을 2분주한 클럭이나 더 분주한 저속의 클럭을 디바이스 내의 각 부, 예를 들면 수평 주사 회로(212), 수직 주사 회로(214), 컬럼 처리부(226) 등에 공급한다.
수직 주사 회로(214)는, 화소부(210)의 행을 선택하여, 그 행에 필요한 펄스를 공급하는 것이다. 예를 들면, 수직 방향의 판독 행을 규정하는(화소부(210)의 행을 선택함) 수직 디코더와, 수직 디코더에서 규정된 판독 어드레스 상(행 방향)의 화소(12)에 대한 행 제어선(215)에 펄스를 공급하여 구동하는 수직 구동 회로를 갖는다. 또한, 수직 디코더는, 신호를 판독하는 행 이외에, 전자 셔터용의 행 등도 선택한다.
수평 주사 회로(212)는, 저속 클럭 CLK2에 동기하여 컬럼 처리부(226) 내의 도시하지 않는 컬럼 회로를 순서대로 선택하고, 그 신호를 수평 신호선(수평 출력 선)(218)으로 유도하는 것이다. 예를 들면, 수평 방향의 판독 열을 규정하는(컬럼 처리부(226) 내의 개개의 컬럼 회로를 선택함) 수평 디코더와, 수평 디코더에서 규정된 판독 어드레스에 따라서, 선택 스위치(227)에 의해 컬럼 처리부(226)의 각 신호를 수평 신호선(218)으로 유도하는 수평 구동 회로를 갖는다. 또한, 수평 신호선(218)은, 예를 들면 컬럼 AD 회로가 취급하는 비트수 n(n은 플러스의 정수)만큼, 예를 들면 10(=n)비트이면, 그 비트수분에 대응하여 10개 배치된다.
이러한 구성의 CMOS 고체 촬상 소자(201)에서, 화소(12)로부터 출력된 화소 신호는, 수직 열마다, 수직 신호선(219)을 통하여, 컬럼 처리부(226)의 컬럼 회로에 공급된다. 여기에서, 단위 화소 매트릭스(12)(각 화소(12B, 12G, 12R, 12IR))에 축적된 신호 전하는, 동일 수직 열의 수직 신호선(219)을 통하여 판독된다.
컬럼 처리부(226)의 각 컬럼 회로는, 1열분의 화소의 신호를 받아, 그 신호를 처리한다. 예를 들면, 각 컬럼 회로는, 아날로그 신호를, 예를 들면 저속 클럭 CLK2를 이용하여, 예를 들면 10비트의 디지털 데이터로 변환하는 ADC(Analog Digital Converter) 회로를 갖는다.
또한, 회로 구성을 궁리함으로써, 수직 신호선(219)을 통하여 입력된 전압 모드의 화소 신호에 대하여, 화소 리세트 직후의 신호 레벨(노이즈 레벨)과 진짜의(수광 광량에 따른) 신호 레벨 Vsig와의 차분을 취하는 처리를 행할 수 있다. 이에 의해, 고정 패턴 노이즈(FPN; Fixed Pattern Noise)나 리세트 노이즈로 불리는 노이즈 신호 성분을 제거할 수 있다.
이 컬럼 회로에서 처리된 아날로그의 화소 신호(혹은 디지털의 화소 데이터) 는, 수평 주사 회로(212)로부터의 수평 선택 신호에 의해 구동되는 수평 선택 스위치(217)를 통하여 수평 신호선(218)에 전달되고, 다시 출력 회로(228)에 입력된다. 또한, 10비트는 일례로서, 10비트 미만(예를 들면 8비트)이나 10비트를 초과하는 비트수(예를 들면 14비트) 등, 그 밖의 비트수로 해도 된다.
이러한 구성에 의해, 전하 생성부로서의 단위 화소 매트릭스(12)(화소(12B, 12G, 12R, 12IR))가 행렬 형상으로 배치된 화소부(210)로부터는, 행마다 각 수직 열에 대하여 화소 신호가 순차적으로 출력된다. 그리고, 수광 소자가 행렬 형상으로 배치된 화소부(210)에 대응하는 1매분의 화상 즉 프레임 화상이, 화소부(210) 전체의 화소 신호의 집합으로 나타내어지게 된다.
출력 회로(228)는, CCD 고체 촬상 소자(101)에서의 출력 앰프(128)에 대응하는 것으로서, 그 후단에는, CCD 고체 촬상 소자(101)와 마찬가지로, 도 4의 (B)에 도시하는 바와 같이, 촬상 신호 처리부(330)가 설치된다. 촬상 신호 처리부(330)에는, CCD 고체 촬상 소자(101)의 경우와 마찬가지로, 화상 절환 제어부(360)로부터의 화상 절환 제어 신호가 입력되게 되어 있다.
이에 의해, 적(R), 녹(G), 청(B)의 원색의 촬상 데이터(R, G, B, IR의 각 화소 데이터) 혹은 가시광 VL용의 화소 데이터에 기초하는 가시광대의 화상(소위 통상 화상)이 얻어짐과 함께, 적외광 IR의 화소 데이터를 이용함으로써, 적외광 IR에 관한 화상을 얻을 수 있다.
<신호 판독 방법>
도 5는, 가시광 상과 적외광 화상을 분리하여 취득하는 구조의 이미지 센서 를 이용하는 경우의 신호 취득 방법의 일례를 설명하는 도면이다. 여기에서는 CMOS 구조의 경우로 나타낸다. 또한, 도 5의 (A)는 회로도, 도 5의 (B)는 신호 타이밍도이다.
수광부에 설치되는 광전 변환 소자((732)(컬러의 경우 R, G, B의 색마다, 이하 마찬가지임), (732IR))의 각각에 대하여, 파장별로 전송 게이트((734)(R, G, B), (734IR))가 설치되어 있다. 각 광전 변환 소자((732)(R, G, B), (732IR))는, 각각에 대응하는 전송 게이트((734)(R, G, B), (734IR))를 통하여, 증폭용 트랜지스터(740)와 리세트 트랜지스터(736) 등을 통한 화소내 앰프(705)에 접속되어 있다. 증폭용 트랜지스터(740)는 수직 선택 트랜지스터(742)를 통하여 수직 신호선(751)에 접속되어 있다.
리세트 상태와 신호 판독 상태를 도시한 도 5의 (B)에 도시하는 각 타이밍에 따라서 화소 신호를 출력한다. 여기에서, 판독 대상의 수직 행의 수직 선택 트랜지스터(742)에 선택 펄스 SEL을 공급한 상태에서, 전송 게이트((734)(R, G, B), (734IR))에 판독 펄스 T(R, G, B), TIR을 공급하여 각각의 신호 전하를 판독하기 전에, 리세트 트랜지스터(736)에 리세트 펄스 RST를 공급하여 플로팅 디퓨전(738)을 리세트시킨다. 이렇게 함으로써, 적외광 IR 성분→가시광 VL 성분(색마다의 성분)의 순(그 반대라도 됨)으로, 화소 신호를 독립적으로 판독할 수 있다.
<촬상 소자; 제1 실시예-유전체 적층막을 이용>
도 6은, 고체 촬상 소자(314)의 제1 실시예를 설명하는 도면이다. 이 제1 실시예의 고체 촬상 소자(314)는, 유전체 적층막을 이용하여 전자파를 소정 파장마 다 분광하는 파장 분리의 개념을 채택한 점에 특징을 갖는다. 여기에서는, 전자파의 일례인 광을 소정 파장마다 분광하는 것을 예로 설명한다.
구체적으로는, 본 출원인이 특허 문헌 11에서 제안하고 있는 구성을 이용한 것으로, 고체 촬상 소자(314)의 전자파가 입사하는 입사면 측에, 인접하는 층간에서 굴절률이 서로 다르며 소정의 두께를 갖는 층을 복수 적층한 구조를 갖고, 입사되는 광(전자파) 중의 본래의 검지 목적 외인 파장 성분(본 예에서는 적외광 IR 성분)을 반사시키고 나머지(본 예에서는 가시광 VL 성분)를 통과시키는 특성을 가진 적층 부재로서의 유전체 적층막을 이용한 파장 분리 대응의 구조를 갖는 분광 이미지 센서(분광 검지부)로 하고 있다. 센서의 기본 구조 그 자체는, CCD형이나 CMOS형이나 그 밖의 어느 것이어도 된다.
적층 부재가 갖는 전술한 특성은, 반대로 말하면, 입사되는 광(전자파) 중의 본래의 검지 목적의 파장 성분(본 예에서는 가시광 VL 성분)을 통과시키고 나머지(본 예에서는 적외광 IR 성분)를 반사시키는 특성이라고 할 수 있다.
제1 실시예에서는, 가시광 VL의 검지부 측에, 가시광 VL의 검지에 최적화된 유전체 적층막을 이용한 분광 이미지 센서 구조를 갖는 이미지 센서로 하고 있다. 적외광 IR을 유전체 적층막을 이용하여 광학적으로 배제하고, 가시광 VL의 검지부에 입사한 가시광 VL 성분만의 광 전자만을 전기 신호로 변환하도록 한다. 광로 상에서 파장 분리를 행하지 않고, 1개의 이미지 센서 상의 가시광 검지 화소(구체적으로는 R, G, B의 각 색 화소)에 유전체 다층막을 이용한 분광 필터를 일체적으로 형성하며, 적외광 검지 화소에는 유전체 다층막을 이용한 분광 필터를 형성하지 않음으로써, 가시광 상과 적외광 화상을 독립적으로 또한 동시에 취득할 수 있도록 하고 있다. 이에 의해, 적외광 IR의 영향을 거의 받지 않고, 가시광 상을 적외광 화상과는 독립적으로 얻을 수 있다.
<유전체 적층막을 이용한 파장 분리의 개념>
유전체 적층막(1)은, 도 6의 (A)에 도시하는 바와 같이, 인접하는 층간에서 굴절률 nj(j는 2 이상의 플러스의 정수; 이하 마찬가지임)가 서로 다르며(굴절률차 Δn), 소정의 두께 dj를 갖는 층을 복수 적층한 구조를 갖는 적층 부재이다. 이것에 의해, 후술하는 바와 같이, 전자파 중의 소정의 파장 영역 성분을 반사시키고 나머지를 통과시키는 특성을 갖게 된다.
유전체 적층막(1)을 이루는 각 유전체층(1_j)의 층수를 세는 방법은, 그 양측의 두꺼운 층(제n0층(1_0) 및 제k층(1_k))을 층수로서 세지 않고, 예를 들면, 제1층째로부터 제k층 측을 향하여 순서대로 센다. 실질적으로는, 양측의 두꺼운 층(제0층(1_0) 및 제k층(1_k))을 제외한 기본층(1_1∼1_n)(도면에서는 n=5)에 의해, 유전체 적층막(1)이 구성된다.
이러한 구조를 갖는 유전체 적층막(1)에 광을 입사시키면, 유전체 적층막(1)에서의 간섭에 의해, 반사율(혹은 투과율)이 파장 λ에 대하여 어떤 의존성을 갖게 된다. 광의 굴절률차 Δn이 클수록 그 효과가 강해진다.
특히, 이 유전체 적층막(1)이, 주기적인 구조나, 어떤 조건(예를 들면 각층의 두께 d의 조건 d∼λ/4n)을 가짐으로써, 백색광 등의 입사광 L1이 입사하면, 임의의 특정 파장 영역의 광(특정 파장 영역 광)의 반사율만을 효과적으로 높여 대부 분을 반사광 성분 L2로 되게 하고, 즉 투과율을 작게 되게 하며, 또한, 그 밖의 파장 영역의 광의 반사율을 낮게 함으로써 대부분을 투과광 성분 L3으로 되게 할 수, 즉, 투과율을 크게 되게 할 수 있다.
여기에서 파장 λ는, 임의의 파장 영역의 중심 파장이며, n은 그 층의 굴절률이다. 본 실시예에서는, 이 유전체 적층막(1)에 의한 반사율(혹은 투과율)의 파장 의존성을 이용함으로써, 분광 필터(10)를 실현한다.
도 6의 (B)는, 적외광 IR(Infra Red)과 가시광 VL(Visible Light)을 분광하는 사례로 도시하고 있다. 가시광 VL보다도 장파장 측인 적외 영역의 파장 λ(주로 780㎚보다 장파장 측)의 적외광 IR에 대하여, 높은 반사율을 갖게 하는 유전체 적층막(1)을 형성함으로써, 적외광 IR을 컷트할 수 있다.
또한, 유전체 적층막(1)을 이루는 각 유전체층(1_j)의 부재(층재)는, 복수의 층으로 유전체 적층막(1)을 구성하기 때문에 적어도 2종으로 되며, 3층 이상인 경우에는 각 유전체층(1_j) 모두가 서로 다른 층재로 이루어지는 것이어도 되고, 2종(혹은 그 이상)을 교대로 혹은 임의의 순으로 적층한 것이어도 된다. 또한, 유전체 적층막(1)을, 기본적인 제1 및 제2 층재로 구성하면서, 일부를 제3(혹은 그 이상)의 층재로 바꾸도록 해도 된다. 이하, 구체적으로 설명한다.
<<유전체 적층막의 설계 방법; 적외광 컷트의 예>>
<두께 dj의 설계 방법>
도 7∼도 9는, 유전체 적층막(1)을 설계하는 방법의 기본 개념을 설명하는 도면이다. 여기에서는, 유전체 적층막(1)을, 기본적인 제1 및 제2 층재로 구성하 면서, 적외광 IR을 선택적으로 반사시키는 설계예를 설명한다.
도 7에 그 구조도를 도시하는 바와 같이, 본 실시예에서 이용하는 유전체 적층막(1)은, 양측(이하, 광 입사측을 제0층, 반대측을 제k층으로 칭함)의 두꺼운 산화 실리콘 SiO2(이하 SiO2로 기재함) 사이에 끼여, 제1 및 제2 층재로 이루어지는 복수의 유전체층(1_j)이 적층되어 구성되어 있다. 도시한 예에서는, 유전체층(1_j)을 이루는 제1 및 제2 층재로서 모두 일반적인 재료를 이용하는 것으로 하고, 실리콘 나이트라이드 Si3N4(이하 SiN으로 기재함)를 제1 층재, 산화 실리콘 SiO2를 제2 층재로 하는 2종을 이용하여, 이들을 교대로 적층하고 있다. 또한, 유전체 적층막(1)의 구조는, 상하로 충분히 두꺼운 산화 실리콘 SiO2층이 있는 경우(d0=dk＝∞)를 가정하고 있다.
이러한 유전체 적층막(1)은, 하기 수학식 1의 조건을 충족시킴으로써, 반사율을 유효하게 높게 할 수 있다.
Figure 112006052171949-PAT00001
여기에서 dj(j는 층번호; 이하 마찬가지임)는, 유전체 적층막(1)을 구성하는 각 유전체층(1_j)의 두께이며, nj는, 그 각 유전체층(1_j)의 굴절률이고, λ0은 반사 파장 영역의 중심 파장(이하 반사 중심 파장이라 함)이다.
유전체 적층막(1)을 이루는 각 유전체층(1_j)의 층수를 세는 방법은, 그 양 측의 두꺼운 산화 실리콘 SiO2를 층수로서 세지 않고, 예를 들면, 제1층째로부터 제k층 측을 향하여 순서대로, SiN층/SiO2층/SiN층으로 3층, SiN층/SiO2층/SiN층/SiO2층/SiN층으로 5층 등과 같이 센다. 도 4에서는, 7층 구조를 도시하고 있다.
또한, 반사 파장 영역인 적외광 IR의 반사 중심 파장 λ0=900㎚로서, 홀수번째의 층을 이루는 실리콘 나이트라이드 SiN의 굴절률 nα=2.03, 0번째, 짝수번째, 및 k번째의 층을 이루는 산화 실리콘 SiO2의 굴절률 nβ=1.46으로 하고 있으며, 굴절률차 Δn은, 0.57이다.
또한, 상기 수학식 1에 따라, 실리콘 나이트라이드 SiN의 두께 dα(=d1, d3, …; j=홀수)는 111㎚, 산화 실리콘 SiO2층의 두께 dβ(=d2, d4, …; j=짝수)는 154㎚로 하고 있다.
도 8은, 일반적인 재료를 이용한 도 7의 구조에 대하여, 층수를 변화시켜, 유효 프레넬 계수법으로 계산한 반사율 R의 결과(반사 스펙트럼도)를 도시하며, 이에 의해, 반사 스펙트럼의 층수 의존 특성을 알 수 있다.
도 8의 결과로부터, 층수가 증가함에 따라, 적외광 IR의 반사 중심 파장 λ0=900㎚을 중심으로 반사율 R이 높아져 있는 것을 알 수 있다. 또한, 이와 같이 파장 900㎚을 반사 중심 파장 λ0으로 선택함으로써, 거의 적외광 IR과 가시광 VL을 나누고 있는 것을 알 수 있다. 여기에서는, 5층 이상으로 함으로써, 반사율 R이 0.5 이상, 특히, 7층 이상으로 함으로써, 반사율이 0.7을 초과해서 바람직하다는 것을 알 수 있다.
도 9는, 유전체층(1_j)의 두께의 변동 의존성(변동과의 관계)을 설명하는 반사 스펙트럼도이다. 여기에서는, 7층의 경우를 예로, 각 유전체층(1_j)의 두께 dj를 ±10% 변화시켜 계산한 결과(반사 스펙트럼도)를 도시하고 있다.
조건 수학식 1은, 프레넬 계수법에 의한 이상적인 계산값이지만, 실제로는 수학식 1의 조건은 완화되어 폭이 있다. 예를 들면, ±10%의 두께 dj의 오차가 있어도 유효하게 반사율을 높게 할 수 있다는 것을 프레넬 계수법에 의한 계산에서 알 수 있었다.
예를 들면, 도 8에 도시하는 바와 같이, 두께 dj에 변동의 차가 있어도, 유효하게 반사율 R을 높게 할 수 있다는 것을 알 수 있었다. 예를 들면, 적외광 IR의 반사 중심 파장 λ0=900㎚에서 반사율 R이 0.5 이상이라는 충분한 반사율 R이 얻어져 있고, 적외광 IR 전체(주로 780㎚보다 장파장 측)에서도, 반사가 강한 것을 알 수 있다. 따라서, 실제로는, 변동도 가미하면, 유전체층(1_j)의 두께 dj는, 하기 수학식 2의 범위이면, 반사율을 유효하게 높게 함과 함께, 충분한 효과가 얻어지게 된다.
Figure 112006052171949-PAT00002
<반사 중심 파장 λ0의 설계 방법>
도 10∼도 12는, 반사 중심 파장 λ0의 조건을 설명하는 도면이다. 두께 dj의 수치 조건은, 스펙트럼의 적외 반사 영역의 밴드 폭 ΔλIR에 의존한다. 반사 스펙트럼의 개념을 도시한 도 10의 (A)와 같이, 적외 반사 영역의 밴드 폭 ΔλIR이 넓은 경우에는 장파장 측에 중심 파장 λ0을 갖고 가지 않으면 가시광 VL에서의 반사가 현저하게 된다. 또 반사 스펙트럼의 개념을 도시한 도 10의 (B)와 같이, 반대로 적외 반사 영역의 밴드 폭 ΔλIR이 좁은 경우에는, 단파장 측에 중심 파장 λ0을 갖고 가지 않으면 가시광 VL에 가까운 적외 영역에서의 반사가 발생하지 않게 된다. 가시광 VL과 적외광 IR의 파장 분리 성능이 매우 좋다.
그런데 도 102에 도시한 실리콘 Si의 흡수 스펙트럼의 그래프로부터, 적외 영역 중, 0.78㎛≤λ≤0.95㎛의 범위의 적외광 IR을 반사시키면, 적외 컷트 효과로서 충분하게 되는 것을 알 수 있다. 이것은, 파장 0.95㎛보다 장파장 측의 광은 거의 실리콘 Si 내부에서 흡수되지 않고, 광전 변환되지 않기 때문이다. 따라서 0.78㎛≤λ≤0.95㎛의 범위의 파장의 적외광 IR을 반사할 수 있도록 반사 중심 파장 λ0을 선택하면 되게 된다.
또한, 가시광 VL에서도, 적(R) 영역 중, 640∼780㎚의 범위의 광은 시감도가 낮기 때문에 반사되어도 반사되지 않아도 특별히 촬상 소자의 성능에 영향은 없다고 생각해도 된다. 따라서 640∼780㎚의 파장 영역에 반사가 발생하고 있어도 문제점이 없다.
또한, 적외 반사 영역의 밴드 폭 ΔλIR는, 유전체 적층막(1)의 굴절률차 Δn이 클 때에는 넓게 되며, 반대로 굴절률차 Δn이 작을 때에는 좁아진다. 따라서, 적외 반사 영역의 밴드 폭 λIR은, SiN/SiO2 다층막의 경우에는 좁고, Si/SiO2 다층 막의 경우에는 넓게 된다.
이들로부터, SiN/SiO2 다층막(굴절률차 Δn=0.57)의 경우에는, 도 11의 반사 스펙트럼도에 도시하는 780㎚과 950㎚의 반사 중심 파장 λ0의 계산으로부터, 780㎚≤λ0≤950㎚의 범위이면, 대략 상술한 조건을 충족시키는 것을 알 수 있다. 그런데, 도 11은 후술하는 도 16과 같은 적층 구조로서, λ0=780㎚과 λ0=950㎚로 되도록, 유전체층(1_j)의 막 두께 dj만을 변화시켜 계산된 것이다.
또 마찬가지로, Si/SiO2 다층막(굴절률차 Δn=2.64)의 경우, 도 12의 반사 스펙트럼도에 도시하는 바와 같이 900㎚≤λ0≤1100㎚의 범위이면, 대략 상술한 조건을 충족시킨다.
이상의 점으로부터, 실리콘 나이트라이드 SiN이나 실리콘 Si와 산화 실리콘 SiO2의 조합에서는, 반사 중심 파장 λ0으로서는, 하기 수학식 3의 (3-1)을 충족시키면 되게 된다. 바람직하게는, 하기 수학식 3의 (3-2)를 충족시키는 것이 좋다. 이들은, 900㎚ 근방을 반사 중심 파장 λ0으로 하는 것이 이상적인 것을 의미한다.
Figure 112006052171949-PAT00003
물론, 상기에서 나타낸 재료는 일례에 불과하며, 상술한 바와 같은 효과는 반드시 산화 실리콘 SiO2와 실리콘 나이트라이드 SiN층의 조합에 한한 것이 아니라, 굴절률차가 0.3 이상, 더욱 바람직하게는 0.5 이상인 재료를 선택하면 마찬가지의 효과가 있다는 것이 계산에 의해 개산되었다.
예를 들면 SiN막은, 제작 조건에 따라 다소의 조성의 변동이 있어도 된다. 또한, 유전체 적층막(1)을 구성하는 유전체층(1_j)으로서는, 산화 실리콘 SiO2나 실리콘 나이트라이드 SiN 외에, 알루미나 Al2O3이나 지르코니아 ZrO2(굴절률 2.05)나 산화 티탄 TiO2(굴절률 2.3∼2.55)나 산화 마그네슘 MgO나 산화 아연 ZnO(굴절률 2.1) 등의 산화물 혹은 폴리카보네이트 PC(굴절률 1.58)나 아크릴수지 PMMA(굴절률 1.49) 등의 고분자 재료, 탄화 규소 SiC(굴절률 2.65)나 게르마늄 Ge(굴절률 4∼5.5) 등의 반도체 재료도 사용 가능하다.
고분자 재료를 이용함으로써, 종래의 글래스제에는 없는 특징을 가진 분광 필터(10)를 구성할 수 있다. 즉, 플라스틱제로 할 수 있어, 경량이며 내구성(고온, 고습, 충격)이 우수하다.
<<유전체 적층막을 이용한 분파 이미지 센서>>
도 13∼도 17은, 유전체 적층막(1)을 이용한 고체 촬상 소자(314)에의 적용에 적합한 분광 이미지 센서(11)의 일 실시예를 설명하는 도면이다. 이 분광 이미지 센서(11)는, 유전체 적층막(1)을 이용한 분광 필터(10)의 기본적인 설계 방법을 이용하여 구성되는 것이다. 여기에서는, 적외광 IR을 선택적으로 반사시키는 유전체 적층막(1)을 반도체 소자층 상에 형성함으로써, 적외광 IR을 컷트해서 가시광 VL 성분을 수광하도록 한 분광 이미지 센서(11)의 설계예를 설명한다.
또한, 분광 이미지 센서(11)의 기본 구조는, 분광 필터(10)를 반도체 소자층 의 수광부 상에 형성한 것으로, 이것 만으로는, 단파장 분파 대응(즉 모노크롬 화상 촬상용)의 분광 이미지 센서(11)로 되지만, 분광 이미지 센서(11)의 각 수광부에 대응시켜 색 분리 필터의 소정 색(예를 들면 R, G, B 중 어느 하나)을 설정함으로써, 컬러 화상 촬상 대응으로 된다.
여기에서, 도 7∼도 9를 이용하여 설명한 유전체 적층막(1)을 실리콘(Si) 포토 디텍터 등의 검지 소자가 형성된 굴절률이 유전체 적층막(1)을 이루는 각 유전체층(1_j)보다도 큰 반도체 소자층 상에 제작함에 있어서는, 반도체 소자층으로부터 유전체 적층막(1)까지의 거리, 즉 제k층의 유전체층(1_k)을 이루는 산화 실리콘 SiO2층의 두께 dk가 중요하다.
이것은 도 13의 구조도에 도시하는 바와 같이, 예를 들면 실리콘 Si(굴절률 4.1)로 이루어지는 반도체 소자층(포토 디텍터 등)의 표면인 실리콘 기판(1_ω)의 표면으로부터의 반사광 L4와의 간섭 효과에 의해, 토탈 반사광 LRtotal의 스펙트럼이 변화되는 것을 의미한다.
도 14는, 토탈 반사광 LRtotal의, 유전체층(1_k)을 이루는 산화 실리콘 SiO2층의 두께 dk의 변동 의존성을 설명하는 반사 스펙트럼도이다. 여기에서는, 도 7에 도시한 7층 구조의 유전체 적층막(1)에 대하여, 유전체층(1_k)의 두께 dk를 변화시켜 계산한 결과를 나타내고 있다. 도 14 내의 각 도면에서, 횡축은 파장 λ(㎛)이며, 종축은 반사율 R이다.
도 14 내의 각 도면으로부터 알 수 있는 바와 같이, 두께 dk=0.154㎛일 때, 즉 적외광 IR의 반사 중심 파장 λ0에 대하여, 조건 수학식 1을 충족시키는 값일 때에, 반사 스펙트럼은 거의 영향을 받지 않고, 적외광 IR(파장 λ≥780㎚)을 강하게 반사시키고 있는 것을 알 수 있다. 그것에 대하여 두께 dk=0.3∼50㎛까지의 스펙트럼에는, 두께 dk＝∞의 반사 스펙트럼에 비하여 다른 진동이 발생하고 있는 것을 알 수 있다. 그것에 의해서 적외에서의 반사가 딥 형상으로 저하하고 있는 파장 영역이 존재하는 것을 알 수 있다.
단, 두께 dk=2.5㎛ 이상으로 되면, 적외에서의 딥의 반값 폭이 30㎚ 이하로 되며, 특히 두께 dk=5.0㎛ 이상으로 되면 그 반값 폭이 20㎚ 이하로 되고, 일반적인 브로드한 자연광에 대하여 충분히 반값 폭이 좁아지기 때문에 평균화된 반사율로 된다. 또한, 두께 dk=0.3∼1.0㎛의 스펙트럼에 관해서는, 가시광 VL에서의 반사율이 높은 것도 알 수 있다. 이들로부터, 바람직하게는, 두께 dk=0.154㎛ 부근, 즉 조건 수학식 1을 충족시키는 값일 때가 최적이라고 할 수 있다.
도 15는, 유전체층(1_k)을 이루는 산화 실리콘 SiO2층의 두께 dk의 변동 의존성을 설명하는 반사 스펙트럼도로서, 특히, 두께 dk=0.154㎛ 부근에서, 두께 dk의 값을 변화시켜 계산한 결과를 나타내는 것이다. 도 15 내의 각 도면에서, 횡축은 파장 λ(㎛)이며, 종축은 반사율 R이다.
이 결과로부터 알 수 있는 바와 같이, 조건 수학식 1을 충족시키는 두께 dk=0.154㎛을 중심으로 하여, 두께 dk=0.14∼0.16㎛의 범위이면, 가시광 VL에서의 반사가 억제되는 것을 알 수 있다.
이상의 점으로부터, 분광 이미지 센서(11)의 최적 구조는, 도 16의 구조도에 도시하는 바와 같이, 실질적으로는, 제k층의 유전체층(1_k)을 포함해서 8층 구조의 유전체 적층막(1A)을 갖는 것으로 되고, 그 반사 스펙트럼의 계산 결과는 도 17에 도시하는 반사 스펙트럼도와 같이 된다. 바꾸어 말하면, 유전체 적층막(1A)은, 실리콘 기판(1_ω) 상에, 제2 층재인 산화 실리콘 SiO2로 이루어지는 층을 4주기분 형성한 구조를 이루고 있다.
<유전 적층막을 이용한 변형예>
도 18∼도 30은, 유전 다층막을 이용한 분광 필터(10) 및 분광 이미지 센서(11)의 변형예를 도시하는 도면이다. 상기한 분광 필터(10)의 구조는, 유전체 적층막(1)을 이용한 기본 구조를 나타낸 것으로, 그 밖의 다양한 변형이 가능하다. 마찬가지로, 상기한 분광 이미지 센서(11)의 구조는, 유전체 적층막(1)을 이용한 분광 필터(10)를 CMOS나 CCD 등의 수광부 상에 형성하는 기본 구조를 나타낸 것으로, 그 밖의 다양한 변형이 가능하다.
예를 들면, 상세한 것은 생략하지만, 분광 필터(10)나 분광 이미지 센서(11)의 변형예로서는, 본원 출원인이 특허 문헌 11에서 제안하고 있는 바와 같이 다양한 구성을 채용할 수 있다.
예를 들면, 도 18에 도시하는 제1 변형예와 같이, 제k층째의 유전체층(1_k)과 실리콘 기판(1_ω) 사이에, 제k층째의 유전체층(1_k)의 굴절률 nk와 실리콘 기판(1_ω)의 굴절률 nω(=4.1)에 대하여 중간적인 굴절률을 갖는 제3층(1_γ)(예를 들면 실리콘 나이트라이드 SiN층)을 추가한 분광 이미지 센서(11)로 함으로써, 가시광 영역내에서의 반사를 저감할 수도 있다.
또한, 도 18에 도시하는 구성에서는, 이 변형에 대응하여, 유전체 적층막(1)의 제1층째로부터 제7층째의 상수 설계 시에, 적외광 IR의 반사 중심 파장 λ0을 900㎚이 아니라 더 낮은 측인 852㎚으로 변경하고 있으며, 실리콘 나이트라이드 SiN의 두께 dα(=d1, d3, …; j=홀수)는 105㎚, 산화 실리콘 SiO2층의 두께 dβ(=d2, d4, …; j=짝수)는 146㎚을 하고 있다.
이것은, 얇은 SiN층(30㎚)을 새롭게 삽입함으로써 가시광에서의 반사율이 감소함과 함께 동시에 가시광과 적외광의 경계 780㎚ 부근의 반사율도 저하하기 때문에, 전체를 단파장 측으로 시프트시켜 이 저하분을 보충하기 위해서, 즉 경계 부근의 적외를 효율적으로 컷트하기 위해서이다. 물론, 적외광 IR의 반사 중심 파장 λ0을 900㎚으로 한 상태 그대로 해도 된다.
또한, 제1 변형예에서 추가한 제3 층재는, 제1 층재인 실리콘 나이트라이드 SiN과 동일하지만, 실리콘 기판(1_ω)보다도 큰 굴절률을 갖는 부재이면 되고, 그 밖의 부재이어도 된다.
제1 예의 변형예의 유전체 적층막(1)을 갖는 분광 이미지 센서(11)는, 실질적으로는, 7층의 유전체 적층막(1)과, 제k층의 유전체층(1_k)(산화 실리콘 SiO2층)과 실리콘 나이트라이드 SiN층(1_γ)의 2층분을 포함해서, 전체로서 9층 구조의 유전체 적층막(1B)을 갖는 것으로 된다. 그 반사 스펙트럼의 계산 결과는 도 19에 도시하는 바와 같다.
또한, 도 20에 도시하는 제2 변형예와 같이, 제1 변형예에서 추가한 제3 층재와 실리콘 기판(1_ω) 사이에, 제3 층재보다도 작은 굴절률을 갖는 제4 층(1_δ)(예를 들면 산화 실리콘 SiO2층)을 적층한 분광 이미지 센서(11)로 함으로써, 더욱 암전류를 저감할 수도 있다.
구체적으로는, 제3 층재인 두께 dγ의 실리콘 나이트라이드 SiN층(1_γ)과 실리콘 기판(1_ω) 사이에, 제4 층재로서, 산화 실리콘 SiO2층(1_δ)을 이용하여, 그 두께 dδ=0.010㎛로 하고 있다. 그 반사 스펙트럼의 계산 결과는 도 21에 도시하는 바와 같이 된다.
또한, 제2 변형예에서 추가한 제4 층재는, 제2 층재인 산화 실리콘 SiO2와 동일하지만, 제3 층재(본 예에서는 실리콘 나이트라이드 SiN)보다도 작은 굴절률을 갖는 부재이면 되고, 그 밖의 부재이어도 된다.
제2예의 변형예의 유전체 적층막(1)을 갖는 분광 이미지 센서(11)는, 실질적으로는, 7층의 유전체 적층막(1)에, 제k층의 유전체층(1_k)(산화 실리콘 SiO2층)과 실리콘 나이트라이드 SiN층(1_γ)과 산화 실리콘 SiO2층(1_δ)의 3층분을 포함해서, 전체로서 10층 구조의 유전체 적층막(1C)을 갖는 것으로 된다. 바꾸어 말하면, 유전체 적층막(1C)은, 실리콘 기판(1_ω) 상에, 제2 층재인 산화 실리콘 SiO2로 이루어지는 층을 5주기분 형성한 구조를 이루고 있다.
제1 예와 제2 예에서는, 산화 실리콘 SiO2층(1_δ)의 유무의 차이가 있지만, 도 19 및 도 21로부터 알 수 있는 바와 같이, 모두, 가시광 VL에서의 반사율이 충분히 저하한다. 또한, 제2 예와 같이, 산화 실리콘 SiO2층(1_δ)을 추가함으로써, 암전류를 저감할 수 있는 효과가 얻어진다. 또한, 산화 실리콘 SiO2층(1_δ)을 추가함으로써, 실리콘 나이트라이드 SiN층(1_γ)을 추가하는 것에 의한 효과가 저감하는 일이 없도록, 양자의 두께의 관계는 dδ<<dγ로 하는 것이 좋다.
이와 같이, 제k층째의 산화 실리콘 SiO2와 실리콘 기판(1_ω) 사이에, 굴절률 nk(=nSiO2)와 굴절률 nω(=nSi)에 대하여 중간적인 굴절률 nγ(=nSiN)를 갖는 부재로서 얇은 실리콘 나이트라이드 SiN층(1_γ)을 중간층으로서 추가함으로써, 가시광 VL에서의 반사를 억제하는 것이 가능하게 된다.
또한, 도 22에 도시하는 제3 변형예와 같이, 유전체 적층막(1) 내에서, 이 유전체 적층막(1)을 구성하는 기본적인 제1 및 제2 층재보다도 큰 굴절률을 갖는 제5층(1_η)(예를 들면 실리콘 나이트라이드 SiN 및 산화 실리콘 SiO2보다도 높은 굴절률=4.1을 갖는 두께 dη=61㎚의 실리콘 Si층)를 추가한 분광 이미지 센서(11)로 함으로써, 유전체 적층막(1)을 이루는 유전체층(1_j)의 층수를 저감할 수도 있다.
예를 들면, 도 22의 구조도에 도시하는 예에서는, 실리콘 나이트라이드 SiN 및 산화 실리콘 SiO2보다도 높은 굴절률=4.1을 갖는 두께 dη=61㎚의 실리콘 Si층을 제5 층재로 하여, 실리콘 나이트라이드 SiN(중간의 제3층째의 유전체층(1_3)) 대신에 1층만 추가하고 있다.
또한, 도 22에서는, 유전체 적층막(1)의 각 층의 상수 설계 시에, 적외광 IR의 반사 중심 파장 λ0을 900㎚으로 하고 있고, 실리콘 나이트라이드 SiN의 두께 dα(=d1, d3, …; j=홀수)는 111㎚, 산화 실리콘 SiO2층의 두께 dβ(=d2, d4, …; j=짝수)는 154㎚로 하며, 두께 dη=55㎚의 실리콘 Si층을 제5 층재로 하여, 실리콘 나이트라이드 SiN 대신에 1층만 추가하고 있다. 그 반사 스펙트럼의 계산 결과는 도 23에 나타내는 반사 스펙트럼도와 같이 된다.
여기에서 제3 변형예에서 추가한 제5 층재는, 반도체 소자층을 이루는 실리콘 기판(1_ω)과 동일하지만, 유전체 적층막(1)을 이루는 제5 층재 이외의 유전체층(1_j)보다도 큰 굴절률을 갖는 부재이면 되고, 그 밖의 부재이어도 된다.
또한, 유전체 적층막(1D)을 반도체 소자층(실리콘 기판(1_ω)) 상에 제작함에 있어서는, 반도체 소자층으로부터 유전체 적층막(1D)까지의 거리, 즉 제k층의 유전체층(1_k)을 이루는 산화 실리콘 SiO2층의 두께 dk가 중요하다.
이것은 도 22의 구조도에 도시하는 바와 같이, 예를 들면 실리콘 Si(굴절률 4.1)로 이루어지는 반도체 소자층(포토 디텍터 등)의 표면인 실리콘 기판(1_ω)의 표면으로부터의 반사광 LR과의 간섭 효과에 의해, 토탈 반사광 LRtotal 의 스펙트럼이 변화되는 것을 의미한다.
도 24는, 5층 구조의 유전체 적층막(1D)에 대하여, 토탈 반사광 LRtotal의, 유전체층(1_k)을 이루는 산화 실리콘 SiO2층의 두께 dk의 변동 의존성을 설명하는 반사 스펙트럼도이다. 도 24 내의 각 도면에서, 횡축은 파장 λ(㎛)이며, 종축은 반사율 R이다.
도 24 내의 각 도면으로부터 알 수 있는 바와 같이, 두께 dk=0.15㎛일 때, 즉 적외광 IR의 반사 중심 파장 λ0에 대하여, 조건 수학식 1을 충족시키는 값 dk=0.154㎛ 근방일 때에, 반사 스펙트럼은 거의 영향을 받지 않고, 적외광 IR(파장 λ≥780㎚)을 강하게 반사하고 있는 것을 알 수 있다. 그것에 대하여 두께 dk=0.3∼50㎛까지의 스펙트럼에는, 두께 dk＝∞의 반사 스펙트럼에 비하여 다른 진동이 발생하고 있는 것을 알 수 있다. 그것에 의해서 적외에서의 반사가 딥 형상으로 저하하고 있는 파장 영역이 존재하는 것을 알 수 있다.
또한, 도 25 및 도 27에 도시하는 제4 변형예와 같이, 제3 변형예에서의 층수 저감 시에, 유전체 적층막(1) 내에서, 이 유전체 적층막(1)을 구성하는 기본적인 제1 및 제2 층재보다도 큰 굴절률을 갖는 복수의 제5층(1_η)(예를 들면 실리콘 나이트라이드 SiN 및 산화 실리콘 SiO2보다도 높은 굴절률=4.1을 갖는 두께 dη=61㎚의 실리콘 Si층)을 추가한 분광 이미지 센서(11)로 함으로써, 층수를 더욱 저감할 수도 있다. 기본층에서 인접하는 층의 굴절률차를 크게 취하는 점에 특징을 갖고 있다.
예를 들면, 도 25의 구조도에 도시하는 예(제4 변형예; 그 1)에서는, 기본층을 3층 구조로 갖는 유전체 적층막(1E)을 구성하도록 하고, 실리콘 나이트라이드 SiN 및 산화 실리콘 SiO2보다도 높은 굴절률=4.1을 갖는 두께 dη=61㎚의 실리콘 Si층을 제5 층재로 하여, 실리콘 나이트라이드 SiN 대신에 2층 형성하고 있다. 바꾸어 말하면, 유전체 적층막(1E)은, 실리콘 기판(1_ω) 상에, 제2 층재인 산화 실리콘 SiO2로 이루어지는 층을 2주기분 형성한 구조를 이루고 있다. 그 반사 스펙트럼의 계산 결과는 도 26에 도시하는 반사 스펙트럼도와 같이 된다.
또한, 유전체 적층막(1)의 각 층의 상수 설계 시에, 적외광 IR의 반사 중심 파장 λ0을 1000㎚으로 하고 있고, 제5 층재로 이루어지는 실리콘 Si층의 두께 dη(=d1, d3)는 61㎚, 산화 실리콘 SiO2층의 두께 dβ(=d2) 및 dk는 171㎚로 하고 있다.
또한, 도 27의 구조도에 나타내는 예(제4 변형예; 그 2)에서는, 기본층을 5층 구조로 갖는 유전체 적층막(1E)을 구성하도록 하고, 실리콘 나이트라이드 SiN 및 산화 실리콘 SiO2보다도 높은 굴절률=4.1을 갖는 두께 dη=61㎚의 실리콘 Si층을 제5 층재로 하여, 실리콘 나이트라이드 SiN 대신에 3층 형성하고 있다. 그 반사 스펙트럼의 계산 결과는 도 28에 도시하는 반사 스펙트럼도와 같이 된다. 도 26과의 비교로부터 알 수 있는 바와 같이, 제5 층재를 늘림으로써, 적외광 영역에서의 반사율을 1.0에 근접시킬 수 있다는 것을 알 수 있다.
또한, 도 29에 도시하는 제5 변형예와 같이, 제3이나 제4 변형예에서, 제1 변형예를 동시에 적용한 분광 이미지 센서(11)로 함으로써, 층수의 저감과 함께, 가시광 영역 내에서의 반사를 저감할 수도 있다. 특히 청색 B성분(파장 420㎚ 근 방)이나 녹색 G성분(파장 520㎚ 근방)에서의 반사율은 약간 증가하지만, 적색 R성분(파장 600㎚ 근방)에서의 반사율을 충분히 저하시킬 수 있어, 적외광 IR과의 분리에 적합하게 된다.
예를 들면 도 29에 도시하는 구조에서는, 제k층째의 산화 실리콘 SiO2와 실리콘 기판(1_ω) 사이에 두께 dγ가 비교적 얇은 실리콘 나이트라이드 SiN층(1_γ)을 제3 층재로서 적층한 구조를 이루고 있다. 여기에서는, 두께 dγ=0.030㎛으로 하고 있다. 그 반사 스펙트럼의 계산 결과는 도 30에 도시하는 반사 스펙트럼도와 같이 된다. 이 변형예의 유전체 적층막(1)을 갖는 분광 이미지 센서(11)는, 실질적으로는, 3층의 유전체 적층막(1)에, 제k층의 유전체층(1_k)(산화 실리콘 SiO2층)과 실리콘 나이트라이드 SiN층(1_γ)의 2층을 포함해서, 전체로서 5층 구조의 유전체 적층막(1F)을 갖는 것으로 된다.
또한, 이 제5 변형예에서 추가한 제3 층재는, 제1 층재인 실리콘 나이트라이드 SiN과 동일하지만, 실리콘 기판(1_ω)보다도 큰 굴절률을 갖는 부재이면 되고, 그 밖의 부재이어도 된다.
또한, 도시를 생략하지만, 제3이나 제4 변형예에서, 제1 및 제2 변형예를 동시에 적용한 분광 이미지 센서(11)로 함으로써, 층수의 저감과 함께, 가시광 영역 내에서의 반사를 저감하는 것이나 암전류를 저감하는 것도 가능하다.
상기한 설명에서는, 유전체 적층막(1)을 이용한 분광 필터(10)를 사용하여 분광 이미지 센서(11)를 구성하고 있었지만, 이것에 한하지 않고, 전자파 중의 소 정의 파장 영역 성분을 반사시키고 나머지를 통과시키는 특성을 가진 부재를 검지부의 전자파가 입사하는 입사면 측에 설치하는 것이면 된다.
예를 들면, 유전체 적층막(1)에 한하지 않고, 소정의 두께의 단층막을 이용해도, 분광 필터를 형성할 수 있다. 단층막의 막 두께를 변화시키면, 전자파 중의 소정의 파장 영역 성분을 반사시키고 나머지를 통과시키는 효과가 얻어지기 때문이다.
<<제조 프로세스의 구체예>>
도 31은, 상기 실시예에서 설명한 적층막을 이용한 센서 구조의 분광 이미지 센서를 제조하는 구체적인 프로세스예를 도시하는 도면이다. 이 도 31은, 적외광 IR용의 수광부와 가시광 VL용의 수광부를 구비한 분광 이미지 센서의 제조 프로세스예이다.
이 구조의 제작에 있어서는, 일반적인 CCD 나 CMOS 구조의 회로를 우선 형성한다(도 31의 (A)). 이 후에, Si 포토 다이오드 상에 예를 들면 CVD(Chemical Vapor Deposition；화학 기상 성장법) 등을 이용하여 SiO2막과 SiN을 순차적으로 적층시킨다(도 31의 (B)).
이 후, 예를 들면 4개의 화소 중 1개만을 리소그래피 기술이나 RIE(Reactive Ion Etching)법 등을 이용하여 에칭함으로써, 적외광 IR용의 수광부에 최하층의 SiO2막에 도달하는 개구부를 형성한다(도 31의 (E)). 이 적외광 IR용의 수광부는, 다른 가시광 컬러 화상 촬상용의 색 화소에 대하여 보정 화소로서도 사용된다.
이 후, 유전체 적층막(1) 등의 보호를 위해, 일부에 개구부가 형성된 유전체 적층막(1) 상에 예를 들면 재차 CVD 등을 이용하여 SiO2막을 적층해서 평탄화한다(도 31의 (F)). 물론, 이 프로세스는 필수는 아니다.
또한, 이 때, 가시광 VL용의 3개의 화소(R, G, B 성분용)를 에칭하지 않도록, 적외광 IR용의 수광부에 개구부가 형성된 포토레지스트를 이용해도 된다(도 31의 (C), (D)). 이 경우, 유전체 적층막(1) 상에 SiO2막을 적층하기 전에, 포토레지스트를 제거할 필요가 있다(도 31의 (D)→(E)).
또한, 도시를 생략하지만, 다시 그 위에 색 필터나 마이크로 렌즈를 화소에 대응하도록 형성한다. 이 때, 적외광 IR용의 수광부에는 예를 들면 흑 필터를 배치하고, 가시광용의 검지부에는 원색 필터를 배치함으로써, 흑 필터의 화소가 적외광을 수광하고, 다른 3색의 화소가 가시광의 적, 녹, 청색의 3원색을 수광하도록 한다.
이렇게 함으로써, 3원색 가시광의 화소의 검지부 상에는 SiN층과 SiO2층의 유전체 다층막이 형성되지만, 흑 필터의 화소의 검지부 상에는 이 유전체 다층막이 형성되지 않게 된다. 이러한 구조로 제작된 촬상 소자를 이용함으로써, 3원색의 가시광의 상과 적외광의 상을 동시에 촬상할 수 있다.
또한 약간의 적외광 IR이 누설되어 가시광 VL용의 광전 변환 소자(포토 다이오드 등)에 입사하는 경우, 전체에 약한 적외광 컷트 필터를 넣어도 된다. 예를 들면 50% 이하의 적외광 컷트 필터를 넣음으로써, 가시광 VL에 대하여 거의 문제가 없는 레벨까지 컷트해도 적외광 IR용의 광전 변환 소자(포토 다이오드 등)에서는, 적외광 IR이 집광되기 때문에 충분한 감도로 된다.
또한, 이러한 제조 프로세스에서는，Si 기판 표면 가까이까지 에칭하기 때문에, 즉 적외광 IR용의 수광부에 최하층의 SiO2막에 도달하는 개구부를 형성하기 때문에(도 31의 (E)), 에칭에 의한 데미지가 문제가 되는 경우가 있다. 이 경우에는, Si 기판 바로 위의 SiO2층의 두께 d를 크게 해서 데미지를 저감하는 것도 가능하다.
여기에서 dk=2.5㎛ 이상으로 되면, 도 14와 같이 반사 스펙트럼의 적외광 영역에서의 딥의 반값 폭이 좁아지므로, 일반적인 브로드한 자연광에 대하여 평균화된 반사율로 되기 때문에, 적외광의 반사가 가능하게 된다. 따라서 바람직하게는 제k번째의 유전체층(1_k)의 두께 dk를 2.5㎛ 이상으로 하는 것이 좋다. 더욱 바람직하게는, 5㎛ 이상의 두께로 하면 더욱 좋다.
또한, 실리콘 기판(1_ω) 상에 형성되는 포토 다이오드나 화소내 앰프 등을 위한 메탈 배선, 즉, 단위 신호 생성부로서의 화소내 앰프 등으로부터 단위 신호로서의 화소 신호를 촬상부(검출 영역)로부터 판독하기 위한 신호선을 이루는 배선층을 실리콘 기판(1_ω) 바로 위에 형성하는 경우, 실리콘 기판(1_ω) 바로 위에 유전체 적층막(1)을 형성한 구조보다는, 실리콘 기판(1_ω) 상에서 어느 정도 떨어진 부분에 유전체 적층막(1)을 형성하는, 즉 메탈 배선보다 상측에 유전체 적층막(1)을 형성함으로써, 프로세스가 용이하게 되어, 코스트가 낮게 억제되는 메리트가 얻 어진다. 상세하게는 후술하지만, 유전체 적층막(1)을 이루는 층수를 늘림으로써, 어느 정도 좋은 결과가 얻어진다. 이하, 메탈 배선을 고려한 분광 이미지 센서에 대하여 설명한다.
<<유전체 적층막을 이용한 분파 이미지 센서; 제6 변형예>>
도 32∼도 38은, 유전체 적층막(1)을 이용한 단파장 분파 대응의 분광 이미지 센서(11)의 제6 변형예를 설명하는 도면이다. 제6 변형예는, 도 13∼도 17에서 설명한 방법을 기본으로 하여, 메탈 배선을 고려하여, 실리콘 기판(1_ω)보다 어느 정도 거리가 떨어진 상측에서, 유전체 적층막(1)을 실리콘 기판(1_ω) 상에, 포토 다이오드 등의 검지부와 일체적으로 형성하는 점에 특징을 갖는다.
예를 들면, 도 32와 같이, CMOS 구조를 고려하면, 포토 다이오드 등의 검지부가 형성된 반도체 소자층 상에 배선층을 1개 갖고, 그 두께가 0.7㎛ 정도인 경우에 있어서, 포토 다이오드 등이 형성되는 실리콘 기판(1_ω)보다도 대략 0.7㎛ 위에 다층막 구조를 일체적으로 형성하는 경우, 제1층째의 배선층의 프로세스 후에 유전체 적층막(1)을 형성하면 된다. 이렇게 함으로써, 두께 dk≒0.7㎛을 갖는 제k층 내에 배선층을 형성할 수 있다.
또한, 도 33과 같이, 반도체 소자층 상에 배선층을 3개 갖고, 이들의 총 두께가 3.2㎛ 정도인 경우에 있어서, 포토 다이오드 등이 형성되는 실리콘 기판(1_ω)보다도 대략 3.2㎛ 위에 다층막 구조를 일체적으로 형성하는 경우, 최상인 제3층째의 배선층의 프로세스 후에 유전체 적층막(1)을 형성하면 되게 된다. 이렇게 함으로써, 두께 dk=3.2㎛을 갖는 제k층 내에 배선층을 형성할 수 있다.
여기에서, “대략 3.2㎛”로 기재한 것은, 도시한 바와 같이, 본 예에서는, 실리콘 기판(1_ω) 상에 두께가 10㎚ 정도인 SiO2층(δ층)을 형성하고, 그 위에, 두께가 65㎚ 정도인 SiN층(γ층)을 형성하고 있으며, “3.2㎛”은, 이들 γ, δ층을 제외한 ｋ층의 두께를 의미하기 때문이다.
색 필터(14)나 마이크로 렌즈 등은, 이 유전체 적층막(1)을 형성한 후에 형성하면 된다.
도 34 및 도 35는, 이러한 분광 이미지 센서(11)의 적층 구조의 개념을 도시하는 도면이다. 여기에서는, 기본층(1_1∼1_n) 이외에, 제k층째의 유전체층(1_k)과 실리콘 기판(1_ω) 사이에, 제3층(1_γ)과 제4 층(1_δ)을 구비하는 도 20에 도시한 제2 변형예의 구조를 이용한다. 또한, 제2 변형예와 마찬가지로, 적외광 IR의 반사 중심 파장 λ0을 852㎚으로 하고 있다.
예를 들면, 도 34에서는, 도 20에 도시한 7층 구조를 기본층으로 하면서, 제k층의 유전체층(1_k)(산화 실리콘 SiO2층)과 실리콘 나이트라이드 SiN층(1_γ)과 산화 실리콘 SiO2층(1_δ)의 3층분을 갖는 유전체 적층막(1C)을 베이스로 하여, 제k층의 유전체층(1_k)의 두께를 700㎚으로 하고 있다. 또한, 제k층째의 산화 실리콘 SiO2와 실리콘 기판(1_ω) 사이에 두께 dγ=65㎚ 혹은 100㎚의 비교적 얇은 실리콘 나이트라이드 SiN층(1_γ)을 제3 층재로서 적층하고, 또한, 이 추가한 제3 층재와 실리콘 기판(1_ω) 사이에, 제3 층재보다도 작은 굴절률을 갖는 제4 층재로서의 산 화 실리콘 SiO2층(1_δ)을 두께 dδ=10㎚으로 적층한 유전체 적층막(1C)으로 하고 있다.
또한, 도 35에서는, 기본으로 되는 유전체 적층막(1)을 9층 구조로 하면서, 제k층의 유전체층(1_k)의 두께를 700㎚ 혹은 3.2㎛으로 하고 있다. 또한, 제k층째의 산화 실리콘 SiO2와 실리콘 기판(1_ω) 사이에 두께 dγ=65㎚의 비교적 얇은 실리콘 나이트라이드 SiN층(1_γ)을 제3 층재로서 적층하고, 또한, 이 추가한 제3 층재와 실리콘 기판(1_ω) 사이에, 제3 층재보다도 작은 굴절률을 갖는 제4 층재로서의 산화 실리콘 SiO2층(1_δ)을 두께 dδ=10㎚으로 적층한 유전체 적층막(1C)으로 하고 있다.
이들 반사 스펙트럼의 계산 결과는 도 36∼도 38에 도시하는 바와 같이 된다. 도 32이나 도 33으로부터 알 수 있는 바와 같이, 0.7㎛이나 3.2㎛만큼 실리콘 기판(1_ω)의 상측에 유전체 적층막(1)을 형성함으로써, 배선 프로세스가 용이하게 된다. 또한, 정확하게는, 실리콘 기판(1_ω) 바로 위에는 제4 층재인 SiO2층과 제3 층재인 SiN층의 순으로 각각 10㎚과 65㎚(혹은 100㎚)의 두께가 존재하므로, 그것보다 상측으로 된다.
여기에서는 SiN막과 SiO2막을 갖는 유전체 적층막(1)에서, 7층의 경우와 9층의 경우를 나타냈지만, 도 36으로부터 알 수 있는 바와 같이, 실리콘 나이트라이드 SiN층(1_γ)을 과도하게 두껍게 하면, 적외광 반사 영역에서의 딥이 커서, 결과적 으로 반사가 크게 저하하고 있는 것을 알 수 있다. 게다가, 제3 층재인 SiN층의 두께 dγ가 두꺼우면, 가시광 영역에서의 반사가 높아진다. 이것은, 제2 예에서 설명한 바와 같이, 중간층으로서 형성하는 제3 층재는, 가시광 영역 내에서의 반사를 저감하는 것을 목적으로 하는 것으로, 중간층으로서 형성한 유전체층(1_γ)의 두께 dγ는, 얇은 쪽에는 충분한 여유가 있지만, 큰 쪽에는 여유가 적은 것에 의한다고 생각된다.
또한 도 37로부터 알 수 있는 바와 같이, 7층의 경우에 비하여 9층까지 다층 구조의 층수를 늘리면, 적외광 영역에서의 반사율 R이 0.9를 초과하게 되어, 적외광 영역에서의 반사 성능을 더욱 향상시킬 수 있다는 것을 알 수 있다. 또한 도 38로부터 알 수 있는 바와 같이, 제k번째의 유전체층(1_k)의 두께 dk가 3.2㎛인 7층 구조에서는, 적외광 반사 영역에서의 딥이 커서, 결과적으로 반사가 크게 저하하고 있는 것을 알 수 있다. 그러나, 이것도 9층까지 층수를 늘리면, 이들의 딥이 작아져, 적외광 영역에서의 반사 성능을 더욱 향상시킬 수 있다는 것을 알 수 있다.
이와 같이, 종래의 배선 프로세스를 행한 후에, 유전체 적층막(1)을 형성하는 쪽이 제조가 용이하게 되어, 새로운 프로세스의 검토가 불필요하게 되어 코스트적으로 좋다. 즉 도 32나 도 33과 같은 CMOS 구조를 제작함으로써, 프로세스도 용이하게 할 수 있으며, 또한 유효한 효과를 얻을 수 있게 된다. 유전체 적층막(1)을 형성하고 나서 배선 프로세스를 하면, 유전체 적층막(1)의 제거 등을 행하는 등 프로세스적으로 곤란하게 되는 것과 큰 차이이다.
<촬상 소자; 제2 실시예-회절 격자를 이용>
도 39는, 고체 촬상 소자(314)의 제2 실시예를 설명하는 도면이다. 이 제2 실시예의 고체 촬상 소자(314)는, 회절 격자를 이용하여 전자파를 소정 파장마다 분광하는 파장 분리의 개념을 채택한 점에 특징을 갖는다. 여기에서는, 전자파의 일례인 광을 소정 파장마다 분광하는 것을 예로 설명한다.
구체적으로는, 본 출원인이 특허 문헌 12에서 제안하고 있는 구성을 이용한 것으로, 회절 격자(501)는, 도 39의 (A)에 도시하는 바와 같이 전자파(예를 들면 광)를 차단(광의 경우에는 차광)하는 차단 부재로 구성된 산란체(502)가 주기적으로 배열된 구조를 하고 있으며, 입사광 L1이 입사하면, 각 산란체(502)에서 광이 산란됨으로써 회절파 L2가 발생한다. 또한, 이 회절파 L2가 주기적으로 다수 존재하는 산란체(502)에 의해 회절파 L2끼리 간섭이 발생한다.
이에 의해, 도 39의 (B)에 도시하는 바와 같이, 광 강도는, 각 회절파 L2의 위상이 일치하는 부분에서는 강해지고, 반대로 위상이 반파장분 어긋나는 부분에서는 서로 약하게 하게 된다. 결과적으로, 간섭 줄무늬가 Si(실리콘) 기판(509)의 표면 및 Si 기판 내부에 걸쳐서 발생하게 된다.
본 실시예에서는, 이 간섭 줄무늬의 패턴이 파장 λ에 의해 변화되는 파장 분산성을 나타내는 것을 이용함으로써, 분광 이미지 센서를 실현한다.
<회절 격자를 이용한 분파 이미지 센서의 기본 구성>
도 40은, 회절 격자를 이용한 분파 이미지 센서(분광 이미지 센서)의 기본 구성을 설명하는 개념도이다. 또한 도 41은, 도 40에 도시한 분광 이미지 센 서(511)의 1개의 포토 다이오드군(512) 부분을 확대하여 도시한 도면이다.
여기에서, 포토 다이오드군(512)은, 종래의 촬상 디바이스에서의 1화소에 대응하는 1개의 포토 다이오드에 상당히 하는 것이다. 본 실시예에서는, 개구부를 상기 전자파가 통과하는 것에 의한 회절 효과를 이용함으로써 분광된 각각 서로 다른 파장(색 성분)을 검지하는 파장별(색별)의 광전 변환 소자를 포토 다이오드군(512) 내에 복수개 설치함으로써, 고해상도화·고화소화 등을 도모하도록 하는 점에 특징을 갖는다. 1화소를 이루는 1개의 포토 다이오드군(512)에 대하여, 색 분리용의 전체 색 성분을 할당하는 구성으로, 1화소를 이루는 색별의 광전 변환 소자에 대하여 색 분리용 중 어느 하나의 색 성분을 할당하는 구성과는 서로 다르다.
도 40에 도시한 광전 변환 소자를 복수개 갖고 이루어지는 포토 다이오드군(512)이 배열된 분광 이미지 센서(511)는, 회절 효과를 이용하여 전자파를 복수의 파장 성분으로 나누고, 각각의 파장 성분을 입사면 내에서의 근접된 각각 서로 다른 위치에 입사시키는 파장 분산부를, 산란체(503)(제1 산란체)와 슬릿(505)(제2 산란체)과 산란체(507)(제3 산란체)로 구성하고 있는 점에 특징을 갖는다.
구체적으로는, 입사광 L1측에서, 전자파(예를 들면 광)를 통과시키는 장척 형상(선 형상 또는 막대 형상)의 개구부(503a)와, 전자파(예를 들면 광)를 차단(광의 경우에는 차광)하는 부분인 장척 형상(선 형상 또는 막대 형상)의 차광부(503b)가 교대로 배열되어 이루어지는 산란체(503)가, 차광부(503b)끼리가 평행하게 또한 주기적으로 또한 수광면 내의 소정 방향으로 열을 이루도록(예를 들면 가로 방향; 도면 중의 X 방향) 배치되어 있다. 가로 방향(도면 중의 X 방향)은, 포토 다이오 드군(512)이 갖는 색별의 광전 변환 소자로부터의 화소 신호의 판독 방향에 대응하는 것이다.
여기에서, “선 형상”이란, 그 단면적이 광의 파장에 대하여 끝없이 0(제로)에 가까운 형태의 것을 의미하며, “막대 형상”이란, 그 단면적이 유한한 형태의 것을 의미하는데, 모두, 가늘고 긴 형상 즉 장척 형상의 것인 점에서는공통된다.
또한 분광 이미지 센서(511)는, 산란체(503)와 Si 기판(509) 사이에서의 회절파 L2가 모이는 주변에 전자파(예를 들면 광)를 통과시키는 장척 형상의 개구부(슬릿의 간극)(505a)와 개구부(505a)를 포위하는, 전자파(예를 들면 광)를 차단(광의 경우에는 차광)하는 부분인 차광부(505b)가 배치되도록, 회절 격자(501)의 주요부를 이루는 슬릿 형상의 광 산란체(이하 간단히 슬릿이라 함)(505)가 설치되어 있다.
이 슬릿(505)은, 개구부(505a)의 주기(인접하는 개구부(505a)의 간격)와 산란체(503)의 주기(인접하는 산란체(503)의 차광부(503b)의 간격; 산란체(503)의 개구부의 간격)가 동일하게, 또한 이들이 평행하게 배치되어 있다. 게다가, 인접하는 산란체(503)간의 중점을 통과하는 대략 중심선 CL0 상(포토 다이오드군(512) 표면에 대하여 수직)의 위치에 개구부(505a)가 배치되도록 되어 있다.
또한 분광 이미지 센서(511)는, 슬릿(505)과 포토 다이오드군(512) 사이에 다른 장척 형상의 차광부(507b)가 개구부(507a)를 사이에 두고 주기적으로 또한 평행하게 배치되어 있는 산란체(507)가 설치되어 있다. 이 산란체(507)는, 산란 체(507)의 주기(인접하는 차광부(507b)의 간격)와 산란체(503)의 주기(산란체(503)의 인접하는 차광부(503b)의 간격) 또는 슬릿(505)의 개구부(505a)의 주기(슬릿(505)의 인접하는 개구부(505a)의 간격)가 동등하게 되도록 설정되어 있다. 게다가, 산란체(507)의 차광부(507b)가, 산란체(503)간의 중점을 통과하는 대략 중심선 CL0 상(포토 다이오드군(512) 표면에 대하여 수직)의 위치에 배치되도록 되어 있다.
이러한 구조의 분광 이미지 센서(511)에서, 각 산란체(503)를 주기적으로 배치함으로써, 도 40과 같이 회절파 L2가 집광되는 부분이 나타난다. 특히, 가로 방향으로 주기적으로 또한 평행하게 등간격으로 각 산란체(503)를 배치하는 경우, 각 산란체(503)간의 중심선 CL0 상에서 회절파 L2가 모인다.
또한, 장척 형상의 산란체(503)를 이용함으로써, 회절파 L2가 장척 형상으로 집광되거나, 회절파 L2끼리의 간섭 줄무늬(광 강도 분포)가 장척 형상으로 되거나 한다. 따라서, 디바이스 구조를 고려하면 포토 다이오드군(512) 내에 설치하는 광전 변환 소자(포토 디텍터)를 장척 형상의 구조로 할 수 있기 때문에, 설계하기 쉽다는 이점이 있다.
게다가, 도 40은 집광 효과에 대하여 주목해서 도시하고 있지만, 그 후, 회절파 L2가 더욱 진행하는 것에 의해, 도 41과 같이 슬릿(505) 및 또 하나의 산란체(507)의 효과에 의해 분광된다.
따라서, 이들 2개의 효과의 합산으로 집광 및 분광이 이루어진다. 이 때, 회절파 L2가 모이는 주변인 산란체(503)와 포토 다이오드군(512) 사이에, 장척 형 상의 개구부(505a)(슬릿의 간극)가 가로 방향으로 주기적으로 또한 평행하게 되도록 슬릿(505)을 배치함으로써, 청색광 L3-B, 녹색광 L3-G, 적색광 L3-R, 적외광 L3-IR(통합해서 분광 성분 L3이라 함) 등과 같이, 입사광 L1을 제어가 양호하게 분광할 수 있다.
도 40에 도시한 광전 변환 소자를 복수개 갖고 이루어지는 포토 다이오드군(512)이 배열된 분광 이미지 센서(511)는, 입사광 L1 측에서, 장척 형상(선 형상 또는 막대 형상)의 산란체(503)가 평행하게 또한 주기적으로 또한 수광면 내의 소정 방향으로 열을 이루도록(예를 들면 가로 방향; 도면 중의 X 방향) 배치되어 있다. 가로 방향(도면 중의 X 방향)은, 포토 다이오드군(512)이 갖는 색별의 광전 변환 소자로부터의 화소 신호의 판독 방향에 대응하는 것이다.
또한, 특히, 슬릿(505)의 개구부(505a)의 주기(인접하는 개구부(505a)의 간격)와 산란체(503)의 주기(인접하는 차광부(503b)의 간격)가 동일하게, 또한 이들을 평행하게 배치하면, 전체 구조(특히 산란체(503)와 슬릿(505)과의 관계)에서 주기성 및 대칭성이 높아져, 광의 간섭 특성이 좋아진다. 그 결과, 분광 특성이 좋아진다.
또한, 산란체(503)에 의해 회절된 광(회절파 L2)이 그 중점(차광부(503b)간의 중심) 부근에 집광된다. 따라서, 산란체(503)간의 중점을 통과하는 대략 중심선 CL0 상(포토 다이오드군(512) 표면에 대하여 수직)의 위치에 슬릿(505)의 개구부(505a)가 배치되도록 함으로써, 효율적으로 분광되게 된다.
또한, 슬릿 폭 Ds를 800㎚±300㎚으로 함으로써 가시광(청색광 L3-B, 녹색광 L3-G, 적색광 L3-R)과 적외광 L3-IR을 분광할 수 있다는 것을 알 수 있었다.
또한 경우에 따라서는, 그 슬릿(505)의 개구부(505a)의 중심선 CL0 상이며 또한 슬릿(505)과 포토 다이오드군(512) 사이에 또 하나의 산란체(507)를 배치해도 되며, 배치하지 않아도 되는 것도 알 수 있었다.
여기에서, 슬릿(505)의 개구부(505a)의 중심선 CL0 상이며 또한 슬릿(505)과 포토 다이오드군(512) 사이에 또 하나의 선 형상의 산란체(507)를 배치함으로써, 도 41에 도시하는 확대도와 같이, 장파장 측의 광(녹색광∼적색광)이 회절로 그 산란체(507)로부터 떨어진 부분에 모이지만, 단파장 측의 광(특히 청색광)이 그 산란체의 뒤쪽의 포토 다이오드군(512)의 중심선 CL0 상에 모이는 것이 Maxwell 방정식에 따른 FDTD법(Finite Difference Time Domain Method)의 광장 계산에 의해 판명되었다.
여기에서, 장척 형상의 산란체(507)를 이용함으로써, 회절파 L2가 장척 형상으로 집광되거나, 회절파 L2끼리의 간섭 줄무늬(광 강도 분포)가 장척 형상으로 되거나 한다. 따라서, 디바이스 구조를 고려하면 포토 다이오드군(512)내에 설치하는 광전 변환 소자(포토 디텍터)를 장척 형상의 구조로 할 수 있기 때문에, 설계하기 쉽다는 이점이 있다. 또한, 산란체(507)를 주기적으로 또한 평행하게 배치시킴으로써, 전체 구조에서 주기성 및 대칭성이 높아져, 광의 간섭 특성이 좋아진다. 그 결과, 분광 특성이 좋아진다. 양자를 조합함으로써, 분광 특성이 좋으며, 또한 설계하기 쉬운 구조로 된다.
또한, 산란체(503)의 주기(인접하는 차광부(503b)의 간격)와 산란체(507)의 주기(인접하는 차광부(507b)의 간격)가 동일하게, 또한 이들을 평행하게 배치하면, 전체 구조(특히 산란체(503)와 산란체(507)와의 관계)에서 주기성 및 대칭성이 높아져, 광의 간섭 특성이 좋아진다. 그 결과, 분광 특성이 좋아진다.
또한, 슬릿(505)의 개구부(505a)의 주기(인접하는 개구부(505a)의 간격)와 산란체(507)의 주기(인접하는 차광부(507b)의 간격)가 동일하게, 또한 이들을 평행하게 배치하면, 전체 구조(특히 슬릿(505)과 산란체(507)와의 관계)에서 주기성 및 대칭성이 높아져, 광의 간섭 특성이 좋아진다. 그 결과, 분광 특성이 좋아진다.
특히, 산란체(503)의 주기(인접하는 차광부(503b)의 간격)와 슬릿(505)의 개구부(505a)의 주기(인접하는 개구부(505a)의 간격)와 산란체(507)의 주기(인접하는 차광부(507b)의 간격)가 동일하게, 또한 이들을 평행하게 배치하면, 모든 산란체의 위치 관계를 맞출 수 있어, 주기성 및 대칭성에서 최대의 효과를 얻을 수 있다. 결과적으로, 광의 간섭 특성이 매우 좋아져, 분광 특성이 현격히 좋아진다.
본 실시예에서는, 이상과 같은 회절 특성을 이용하여 분광하는 방법을 이용함으로써, 분광 이미지 센서(511)를 실현하는 점에 특징을 갖는다. 이러한 구조는, 모재인 투명한 산화막 또는 질화막 중에 산란체를 매립한 구조로 해도 된다. 즉, 산란체는, 소정의 투명한 부재(모재)로 다 매립하여 반도체 기판과 일체적으로 구성할 수 있게 하는 것이 좋다. 이 경우, 굴절률이 모재보다 높은 것을 산란체로 선택하면 된다.
여기에서, 산화막이나 질화막이 모재로서 좋은 이유는 2가지 있다. 하나는, 일반적인 반도체의 프로세스에서 이용되는 막으로서, 저렴하며 저코스트인 점을 들 수 있다. 또 하나는, 실리콘에 비하여 저굴절률이기 때문에, 실리콘과 조합함으로써 큰 굴절률차가 설정되어, 결과적으로 효율적으로 회절이 발생한다.
또한, 투명한 모재로서는, 산화막 또는 질화막을 이용하는 것이 좋다. 여기에서, 산화막으로서는 SiOx가 좋으며, 특히 SiO2가 좋다. 또한, 질화막으로서는 SiNx라도 된다. 이것은, SiOx, 특히 그 중에서도 완전하게 산화되어 있는 SiO2가 화학적으로 안정되어 있으며, 또한 굴절률도 가장 낮기 때문이다. SiNx도 마찬가지이며, Si3N4가 가장 화학적으로 안정하다.
또한, 산란체는 프로세스의 정합성이 좋은 실리콘 Si로 형성하는 것이 바람직하지만, 그 밖의 부재로 형성해도 좋으며, 예를 들면 질화 실리콘 SiN을 이용할 수 있다. 이 때, 산란체(503, 507)의 쌍방을 동일한 부재로 형성해도 되며, 각각 서로 다른 부재로 형성해도 된다. SiNx는 일반적인 반도체의 프로세스에서 이용되는 재료로서, 저렴하며 저코스트인 이점이 있다.
또한, 산란체는 게르마늄으로 형성해도 된다. 굴절률이 실리콘 Si보다도 높아, 산란 효과나 회절 효과가 높아지는 이점이 얻어진다.
또한, 산란체는 굴절률이 서로 다르면 메탈이나 그 화합물이라도 된다. 즉, 천이 금속, 천이 금속 실리사이드, 천이 금속 질화 화합물, 천이 금속 질화 산화 화합물, 귀금속, 귀금속 실리사이드, 고융점 금속, 고융점 금속 실리사이드 등이라도 된다. 구체적으로는 Al, Cu, Ni, Cr, W, WSi, WSi2, Ti, TiSi2, TiSi, TiN, TiON, Ta, TaN, NiSi, NiSi2, Hf, HfN, HfSi2, Ag, Au, Pt, CoSi2, RuN, RuOx, RuOxN 등을 들 수 있다. 이 중에서 특히 Al, Cu, Ni 등을 이용함으로 저렴하며 코스트가 낮은 것이 얻어진다.
또한, 회절 격자를 이용한 센서 구조는, p형 반도체와 n형 반도체를 전부 반대로 해도 성립한다. 노이즈 신호를 억제하는 의미에서 n형 기판을 이용해도 된다. 이 경우, n기판에 Al이나 B 등의 Ⅲ족 도펀트의 열 확산 처리 등을 행함으로써 표면으로부터 깊이 2㎛ 이상을 p형화한 후에, 이러한 구조를 만들어도 된다. 또한, 리크 전류를 억제하는 의미에서, 반도체 최외측 표면의 깊이 0.1㎛ 이내를 Al이나 B 등의 Ⅲ족 도펀트의 열 확산 등을 행함으로써 p형화해도 된다.
물론, 산란체(3)의 위치의 주기(광 산란체의 중심점으로부터 다음의 동일한 광 산란체의 중심점까지의 가로 방향의 간격)는 포토 다이오드군(512)의 배열 피치(종래 구조의 화소 피치)에 대응하기 때문에, 결과적으로, 산란체(503)의 위치의 주기를 변화시킴으로써 화소 피치를 조정 가능하게 된다. 고밀도의 촬상 디바이스로 하는 경우에는, 이 주기를 작게 하면 되고, 저밀도의 촬상 디바이스로 하는 경우에는, 이 주기를 크게 하면 된다.
예를 들면, 산란체(503)의 위치의 주기가 0.5∼5㎛까지에서도 동일한 효과가 얻어진다. 하한의 0.5㎛은 가시광의 회절 한계에 기초하여 설정한 것이다. 즉, 가시광의 경우, 0.3㎛ 이상이 회절 한계로 된다. 주기 구조는 적어도 이것보다 큰 값으로 할 필요성이 있기 때문에, 하한을 0.5㎛으로 하였다. 그러나, 애초의 한계 인 0.3㎛을 하한으로 설정해도 문제점은 없다.
한편, 상한의 5㎛은 회절 현상이 현저하게 발생하는 오더에 기초하여 설정한 것이다. 물론 5㎛ 이상에서도 회절 현상이 발생하기 때문에 상한을 특별히 한정하는 것은 아니다. 이 점에서는, “바람직하게는 5㎛ 이하”라고 하는 것에서도 문제점은 없다.
또한, 반드시 특정하는 것은 아니지만, 바람직하게는 주기가 1∼2㎛의 범위, 더욱 바람직하게는 상기에서 설명한 바와 같이 주기가 1.5㎛인 것이 좋다. 여기서 하한의 1㎛은 일반적인 가시광의 회절 격자의 주기 구조 및 1주기 중에 2개 이상 만드는 광전 변환 소자의 제작의 용이함에 기초하여 설정한 것이다. 한편, 상한의 2㎛은 시뮬레이션의 결과로부터 2㎛까지이면 제작이 지금으로서는 용이하다는 것이 확인된 것에 기초하여 설정한 것이다.
또한, 산란체(503, 507)는 회절 효과 및 집광성을 얻을 수 있는 것이면 되고, 산란체(503, 507) 모두, 그 두께는 통상 0.01㎛ 이상이면 된다. 여기서 하한의 0.01㎛은, 광의 산란 및 회절이 발생할 수 있는 최소값에 기초하여 설정한 것이다. 통상적으로, 광의 파장의 1/10 정도의 산란체가 있으면 광의 산란 및 회절이 발생한다.
또한, 산란체(503)의 두께는, 모재인 SiO2의 굴절률의 관계로부터, 바람직하게는 0.1㎛ 이상, 더욱 바람직하게는 0.2±0.05㎛의 범위이면 된다. 여기서 하한의 0.1㎛은 유효하게 산란 및 회절이 발생하는 두께에 기초하여 설정한 것이다. 또 중심값의 0.2㎛은 시뮬레이션 결과에서 특히 좋은 분광 특성을 나타낸 것에 기초하여 설정한 것이며, 그 범위 0.05㎛은 제작상의 변동을 고려하여 설정한 것이다.
또한, 산란체(503, 507)로서 효율적으로 기능하기 위해 산란체(503, 507) 모두, 그 가로 방향의 폭은 0.05㎛ 이상이면 된다. 여기서 하한의 0.05㎛은 광의 산란 및 회절이 발생할 수 있는 최소값에 기초하여 설정한 것이다. 통상적으로, 광의 파장의 1/10 정도의 산란체가 있으면 광의 산란 및 회절이 발생한다. 또한, 이 가로 방향의 폭은 산란체의 두께와의 정합성을 생각해서 하한을 0.01㎛으로 설정하고 싶은 부분이지만, 프로세스를 생각하면 최신의 프로세스에서 0.05㎛ 폭이 생길 것인가의 여부에 의존한다. 따라서, 광의 산란 및 회절이 가능한 것과 최소 프로세스 폭을 고려하여, 0.05㎛을 하한으로 설정하고 있다.
또한, 특히 바람직하게는 산란체의 폭 d는 0.05㎛≤d≤0.3㎛의 범위(0.1-0.05/+0.2㎛)이면 된다. 여기서 대략의 중심값인 0.1㎛은 시뮬레이션의 결과, 분광 특성이 좋았기 때문에 이 값 0.1㎛을 중심값으로 설정한 것이다. 또한 범위의 -0.05㎛은 하한의 관계에서 한정한 것인 한편, 상한에 관해서는, 제조하기 쉬운 양산화 프로세스(0.25㎛ 프로세스)를 생각해서 +0.2㎛으로 설정한 것이다.
또한, 슬릿(505)의 개구부(505a)의 폭(슬릿 폭 Ds)은 0.1㎛ 이상이며, 바람직하게는 0.4㎛ 이하이면 된다. 여기서 하한의 0.1㎛은 효과적으로 회절이 발생하는 최소값에 기초하여 설정한 것이며, 상한의 0.4㎛은, 가시광(λ≤780㎚), 특히 적색광 640㎚과 녹색광 540㎚을 효율적으로 분광하는 것이 슬릿 폭 0.4㎛ 이하인 점에 기초하여 설정한 것이다. 또한, 0.5㎛에서 분광하지 않는다는 것은 아니며, 바람직하게는 0.4㎛ 이하이다.
또한, 특히 분광 특성을 높이기 위해서는, 이 슬릿 폭 Ds는 0.3±0.1㎛의 범위이면 된다. 여기서 중심값의 0.3㎛은 시뮬레이션의 결과에서 분광 특성이 좋았기 때문에 0.3㎛을 중심값으로 설정한 것이다. 그 범위 ±0.1㎛은, 마찬가지로 시뮬레이션의 결과로부터 가시광의 경우에 특히 효과적으로 회절로 분광을 할 수 있는 조건에 기초하여 설정한 것이다. 또한, 적외 분광의 경우, 여기의 값이 크게 서로 다르게 된다.
또한, 슬릿(505)의 두께는, 분광 효과를 얻기 위해서 0.01㎛ 이상이면 된다. 여기서 하한의 0.01㎛은 슬릿의 기능이 작용하는 최소값에 기초하여 설정한 것이다. 즉 그 기능이란 광의 차단 효과가 조금이라도 나타나는 두께를 의미한다. 또한 특히 효율적인 효과를 얻기 위해서는, 0.125±0.1㎛의 범위이면 된다. 여기서 중심값의 0.125㎛은 시뮬레이션의 결과에서 분광 특성이 좋았기 때문에 0.125㎛을 중심값으로 설정한 것이며, 그 범위 ±0.1㎛의 하한 -0.1㎛은 청색광의 차단의 효과가 충분하게 된다고 하여 설정한 것이며, 상한 +0.1㎛은 제조상의 용이함으로부터 설정한 것이다.
<<적외광과 가시광의 분광의 구조>>
도 42는, 회절 격자(501)를 Si 기판(509)(분광 이미지 센서(510)의 포토 다이오드군(512)에 대응함)의 입사면 측에 배치한 적외광 분리 대응의 분파 이미지 센서를 설명하는 도면으로서, 적외광과 가시광을 분광하는 분광 이미지 센서(511) 의 단면 구조를 나타낸다. 해칭 부분이 Si 재료를 나타내며, 그 밖의 백색 부분이 산화막 SiO2를 나타내고, 본 실시예의 분광 이미지 센서(511)는, 전체적으로, Si 기판(509) 상에 산화막 SiO2가 형성되어 있다.
또 적외광과 가시광의 2개의 파장 성분으로 분광하는 본 실시예의 분광 이미지 센서(511)는, 가시광대 내를 복수(전례에서는 청, 녹, 적의 3개)의 파장 성분으로 분광하는 분광 이미지 센서(511)와는 달리, 슬릿(505)과 포토 다이오드군(512) 사이에 산란체(507)가 설치되어 있지 않은 점에 특징을 갖는다.
산란체(507)를 설치하지 않는 경우에는 녹색광과 청색광이 서로 섞이기 때문에, 가시광의 검지 시에는, 포토 다이오드군(512) 내에, 적외광 검지용의 광전 변환 소자 외에, 단일의 광전 변환 소자를 가시광 검지용으로 배치하여, 가시광대 내를 분광하지 않고 모노크롬 화상을 얻도록 한다. 컬러 화상 촬상을 위해서는, 색 분리 필터를 이용하면 되고, 예를 들면 가시광을 청, 녹, 적의 각 3원색 광의 파장 성분으로 분리하는 적, 녹, 청의 감색 필터(색 분리 필터)를 종래 구조와 마찬가지의 방법을 이용하여 3원색용의 각 광전 변환 소자(포토 디텍터) 앞에 각각 넣는다.
장척 형상의 각 산란체(503)는, Si 기판(509)(포토 다이오드군(512)에 대응)의 입사면 측에서, 가로 방향(도면 중의 X 방향)으로 주기적으로 또한 평행하게 배치되어 있고, 각각의 두께가 0.15㎛로서, 각각의 산란체(503)의 위치의 주기 즉 산란체(503)의 중심점으로부터 다음의 산란체(503)의 중심점까지의 가로 방향(도면 중의 X 방향)의 간격이 2.0㎛이다.
분광 이미지 센서(511)는, 그 표면(산란체(503)의 입사광 L1의 입사측)으로부터 깊이 방향(도면 중의 Z방향)으로 2.50㎛의 위치이며 또한 Si 기판(509)으로부터 1.05㎛의 위치에, 즉 산란체(503)와 Si 기판(509)(포토 다이오드군(512)에 대응) 사이에, 두께가 0.1㎛이며 슬릿 폭 Ds가 0.80㎛인 슬릿(505)이 형성되어 있다. 결과로서, 개구부(505a)를 포위하는, 전자파(예를 들면 광)를 차단(광의 경우에는 차광)하는 부분인 차광부(505b)의 폭이 1.20㎛으로 되어 있다.
슬릿(505)은, 각각의 슬릿 폭 Ds의 개구부(505a)가, 가로 방향(도면 중의 X 방향)으로 주기적으로 또한 평행하게 배치되어 있고, 또한 각각의 슬릿 폭 Ds의 개구부(505a)가, 산란체(503)간의 중점을 통과하는 대략 중심선 CL0 상(Si 기판(509)이나 포토 다이오드군(512) 표면에 대하여 수직)의 위치에 형성되어, 장척 형상의 산란체(503)와 평행하게 배치되어 있다. 즉, 슬릿(505)의 개구부(505a)의 주기(인접하는 개구부(505a)의 간격)와 산란체(503)의 주기(인접하는 차광부(503b)의 간격) 및 위상이 동일하게, 또한 이들이 평행하게 배치되어 있다.
도 43은, 적외광 대응의 분광 이미지 센서(511)에서 사용하는 Si(실리콘)의 굴절률과 감쇠 계수의 파장 분산의 관계를 도시하는 도표이다. 여기에서는, 청색, 녹색, 적색으로서 대표적인 파장을 각각 460㎚, 540㎚, 640㎚으로 하고 있다. 또한 산화막 SiO2의 굴절률 분산은 매우 작기 때문에, 어느 파장에 대해서도 굴절률 1.4, 감쇠 계수 0으로 한다.
<분파 방법의 시뮬레이션; 적외광과 가시광>
도 44∼도 48은, 도 42에 도시하는 구조를 갖는 분광 이미지 센서(511)에 수광면(도면 중의 하측)으로부터 각 파장 성분의 광을 넣었을 때의 적외광과 가시광의 분광 방법을 설명하는 계산 시뮬레이션도(FDTD법에 의한 광장 계산에서 행한 것)이다. 도 44∼도 48에서，Z=2.5㎛의 가로 파선은 포토 다이오드군(512)과 실리콘 산화막 SiO2와의 계면(센서 표면)을 나타낸다.
여기에서, 도 44는 청색광(파장 460㎚)을, 도 45는 녹색광(파장 540㎚)을, 도 46은 적색광(파장 640㎚)을, 각각 입사시켰을 때의 계산 시뮬레이션 결과이다. 이들 도면으로부터, 가시광(청색광, 녹색광, 적색광 모두)에 관해서는, X=-3.0, -1.0, 1.0, 3.0㎛의 부분에서，Z=2.5∼3.5㎛(포토 다이오드군(512)의 표면으로부터 깊이 1.0㎛)까지, 즉 센서 표면 근방∼약간 깊은 영역까지에서 광 강도가 강하게 되어 있는 것을 알 수 있다.
또한, 도 47은 적외광(파장 780㎚)을, 도 48은 적외광(파장 880㎚)을, 각각 입사시켰을 때의 계산 시뮬레이션 결과이다. 여기에서, 파장 780㎚은, 가시광과 적외광의 경계 부근이다. 도 48에서, 적외광(파장 880㎚)에 관해서는, X=-2.0, 0, 2.0㎛의 부분에서，Z=2.5∼4.5㎛(포토 다이오드군(512)의 표면으로부터 깊이 2.0㎛)까지, 즉 센서 표면 근방∼상당히 깊은 영역까지에서 광 강도가 강하게 되어 있는 것을 알 수 있다.
즉, 입사광 L1에 포함되는 가시광(청색광, 녹색광, 및 적색광)과 적외광과의 관계에서는, 도 42에 도시하는 분광 이미지 센서(511)에 입사시킴으로써, 폭방향 (도면 중의 X 방향)에서 파장에 따른 장소 의존성을 나타냄과 함께, 깊이 방향에서도 파장에 따른 장소 의존성을 나타내는 것을 알 수 있다.
또한, 가시광과 적외광의 경계 부근인 파장 780㎚에 대하여 도시한 도 48에서는，X=-3.0, -2.0, -1.0, 0, 1.0, 2.0, 3.0㎛의 부분에서，Z=2.5∼4.5㎛(포토 다이오드군(512)의 표면으로부터 깊이 2.0㎛)까지, 즉 센서 표면 근방∼약간 깊은 영역까지에서 광 강도가 강하게 되어 있는 것을 알 수 있다. 즉, 가시광(청색광, 녹색광, 및 적색광)을 도시한 도 44∼도 46과, 적외광(파장 880㎚)을 도시한 도 48의 쌍방의 성질을 나타내고 있다.
<검출 위치의 적정예; 적외광과 가시광>
도 49는, 상기 시뮬레이션 결과에 기초하는 가시광과 적외광의 분광에서의 검출 위치의 적정예를 설명하는 도면이다.
예를 들면, 도 49에 도시하는 예와 같은 에리어에서 광을 검출할 수 있도록 분광 이미지 센서(511)를 구성하면, 적, 녹, 청의 3원색으로 이루어지는 가시광대와 적외광(파장 880㎚)을 분광하여 검출할 수 있게 된다.
즉 가시광(파장 460㎚의 청색광, 파장 540㎚의 녹색광, 및 파장 640㎚의 적색광)에서는 X=-3.0, -1.0, 1.0, 3.0㎛의 부분에서 Z=2.5∼3.5㎛(포토 다이오드군(512)의 표면으로부터 깊이 1.0㎛)에서, 적외광(파장 880㎚)에서는 X=-2.0, 0, 2.0㎛의 부분에서 Z=2.5∼4.5㎛(포토 다이오드군(512)의 표면으로부터 깊이 2.0㎛)에서 검출하도록 하면 된다.
즉, pn 접합의 최대 깊이를 각 Z방향의 범위로 설정하면 되게 된다. 구체적 으로는, 가시광용의 광전 변환 소자(12W)를 이루는 pn 접합 부분의 최대 깊이는 포토 다이오드군(512)의 표면으로부터 깊이 1.0㎛의 범위, 적외광용의 광전 변환 소자(12IR)를 이루는 pn 접합 부분의 최대 깊이는 포토 다이오드군(512)의 표면으로부터 깊이 2.0의 범위로 되도록 하면, 각각의 파장 성분의 검지 효율이 높아진다.
이 때 포토 다이오드군(512)간에서의 혼색을 방지하기 위해, 각 포토 다이오드군(512)의 가로 방향(X 방향)의 폭은, 각 산란체(503)의 가로 방향(도면 중의 X 방향)의 간격 2.0㎛ 이하로 하는 것이 좋다. 또한, 포토 다이오드군(512) 내에 설치되는 파장별(가시광과 적외광)의 광전 변환 소자를 이루는 pn 접합 부분의 가로 방향(X 방향)의 폭은 1.0㎛ 이하로 하는 것이 좋고, 더욱 바람직하게는 0.3㎛ 이하로 하는 것이 좋다. 이들의 값은 반도체 프로세스상, 양산 제조하기 쉬운 값이다.
여기에서, pn 접합 부분의 횡폭 0.5㎛은 적외광과 가시광의 2분광을 고려한 경우 2.0㎛/2=1.0㎛으로서 최대값에 기초하여 설정한 것이다. 또한 0.3㎛은 현상의 0.25㎛ 프로세스에 대응하여 양산 가능한 것으로서 설정한 것이다. 가시광대 내만을 분광하는 경우, 이 치수가 0.5㎛이었던 점을 고려하면, 일반적으로는, 0.5(가시광대만일 때)∼1.0(적외광 대응일 때)㎛ 이하로 설정하면 되게 된다.
<적외광 대응의 검출 위치에 대응한 센서 구조>
도 50은, 도 49의 검출 위치에 대응한 적외광 대응의 센서 구조의 일 구성예를 도시하는 단면도이다. 이 분광 이미지 센서(511)는, p형 Si 기판(509) 내에서, 각각의 포토 다이오드군(512)마다, 가시광(청색광, 녹색광, 및 적색광)과 적외광의 각각에 대응하는 폭 방향(도면 중의 X 방향) 및 깊이 방향(도면 중의 Z방향)의 각 검출 위치에 n형의 불순물을 도핑한다.
이렇게 함으로써, 가시광과 적외광의 각각을 검출하는 n형 Si 영역(591)이 형성되어, 각 파장 성분용의 광전 변환 소자(포토 다이오드)(512W ,512IR)가 설치되어 있다. 광전 변환 소자(512W, 512IR)는, Si 기판(509)의 수광면 측에서도, 또한 Si 기판(509) 내에서도, 가로 방향(X 방향)으로, 가시광, 적외광, 가시광, 적외광, …의 순으로 배열된 구조로 되어 있다.
여기에서는 n형과 p형 Si 반도체의 계면 부근의 공핍층에서 광이 흡수됨으로써 전자와 정공이 생성되며, 또한 전자와 정공이 공핍층의 전계에 의해 각각 n형과 p형 반도체로 이동함으로써 신호 전하가 저장된다. 이 신호 전하를 각각의 광전 변환 소자(512W, 512IR)로부터 판독함으로써, 전기 신호로서 검지할 수 있게 된다.
즉, 포토 다이오드군(512)의 각각은, 폭 방향(도면 중의 X 방향) 및 깊이 방향(도면 중의 Z방향)의 각 검출 위치에서, 가시광과 적외광을 독립적으로 검지하는 검지 영역이 형성되어 있다. 이러한 구조에 의해, 통상의 이미지 센서에 이용되는 적외광 컷트 필터를 사용할 필요가 없기(혹은 컷트할 비율을 줄일 수 있기) 때문에 단위 면적당 입사하는 광량이 많아진다. 그 때문에 광-전기 신호의 변환 효율이 높아지고, 가시광에 관해서도 높은 감도 특성을 얻을 수 있다. 게다가, 적외광 컷트 필터가 필요 없기 때문에 저코스트로 된다.
1개의 포토 다이오드군(512)이, 가시광(청색광, 녹색광, 및 적색광)과 적외광을 독립적으로 검지하는 구조로서, 1개의 화소를 이루는 1개의 포토 다이오드군(512)으로 파장 분광의 1단위(파장 분광 단위)를 실현할 수 있다. 즉 실질적으 로는 포토 다이오드군(512) 내에서 파장별로 광전 변환 소자를 형성한 구조이기 때문에, 화소에 대응하는 포토 다이오드군(512)을 가시광용과 적외광용과 같은 파장별로 준비할 필요가 없다.
이 때문에, 1개의 파장 분광 단위에 1개의 포토 다이오드군(512)으로 충분하게 되어, 가시광에 의한 모노크롬 화상과 적외광에 의한 적외상을 동시에 촬상할 수 있다. 이것에 의해, 예를 들면 적외선의 발광점을 미리 준비해서 그것을 추적함으로써, 가시광의 상(모노크롬 화상) 중에 있는 적외광의 발광점의 위치를 검출할 수 있다.
또한, 예를 들면 실시예의 원색 필터를 설치함으로써, 광전 변환 소자(512W)로부터는, 필터 색에 따라서, R, G, B의 색 신호가 얻어지기 때문에, 가시광 컬러 화상을 취득할 수도 있게 된다.
또한, 적외광 촬상 영역인 광전 변환 소자(512IR)는, 가시광 촬상 영역인 광전 변환 소자(512W)로부터 얻어지는 가시광 상에 대한 보정 화소로서도 기능한다. 또한, 색 분리 필터를 갖지 않는 화소(여기서는 포토 다이오드군(512))를 설치함으로써, 이 화소를, 가시광으로부터 적외광까지의 전체 파장의 성분을 검지하는 화소로 하고, 다른 색 분리 필터를 갖는 화소(여기서는 포토 다이오드군(512))로부터 얻어지는 가시광 상에 대한 보정 화소로서 이용할 수도 있다.
또한, 슬릿(505)과 포토 다이오드군(512)의 수광면 사이에 산란체(507)를 배치함으로써, 녹색광과 청색광을 효율적으로 분광할 수 있기 때문에, 포토 다이오드군(512) 내에, 적외광 검지용의 광전 변환 소자(12IR) 외에, 가시광대 검지용의 광 전 변환 소자(12W) 대신에, 가시광대 내의 청색광, 녹색광, 및 적색광을 수광하는 개별의 광전 변환 소자(512B, 512G, 512R)를 배치함으로써, 1개의 이미지 센서에서 색조가 정확한 가시광에 의한 컬러 화상과 적외광에 의한 상을 동시에 촬상할 수 있다.
그러나, 그 파장 분리 특성은 반드시 충분한 것이 아니라, 가시광대 내만을 적, 녹, 청의 3원색으로 분광하는 경우에 비하여, 적, 녹, 청 각각의 분광 성능은 떨어지기 때문에, 색 재현성을 중시한 경우에는, 색 분리 필터를 이용한 쪽이 바람직하다.
단, 적, 녹, 청의 3원색을 조금이라도 분광함으로써, 완전한 모노크롬 화상이 아니라, 컬러 화상을 재현할 수 있는 효과를 얻는 것은 가능하기 때문에, 적외광 대응으로 하는 경우에도, 산란체(507)를 센서 표면과 슬릿(505) 사이에 배치함으로써, pn 접합의 최대 깊이를, 적, 녹, 청의 3원색을 분광해서 검출할 수 있는 각 Z방향의 적정한 범위로 설정하면, 단순히 적외광과 가시광을 분리할 뿐만 아니라, 가시광대 내를 다시 적, 녹, 청의 3원색 성분으로 분리할 수 있어, 각각의 색의 검지 효율이 높아진다. 가시광대 내의 적, 녹, 청의 분광과 적외광의 분광의 양립이 가능하다.
<촬상 소자; 제3 실시예-깊이 방향에서의 흡수 계수의 파장 의존성을 이용>
도 51은, 고체 촬상 소자(314)의 제3 실시예를 설명하는 도면이다. 이 제3 실시예의 고체 촬상 소자(314)는, 특허 문헌 1, 2에 기재된 구조와 마찬가지로, 반도체의 깊이 방향에서의 파장에 따른 흡수 계수의 차이를 이용한 단판식의 것이다.
구체적으로는, 도 51에 1화소분의 구조를 도시하는 바와 같이, 반도체의 깊이 방향에서의 파장에 따른 흡수 계수의 차이를 이용하여 가시광 상과 적외광 화상을 분리하여 취득하는 구조의 고체 촬상 소자(이미지 센서)(611)를 이용하고 있다. 즉, 깊이와 파장에 따른 흡수 계수의 차이를 이용함으로써, 본래의 검지 목적 이외의 파장 성분(본 예에서는 가시광 VL 성분)의 영향을 억제하면서, 본래의 검지 목적의 파장 성분(본 예에서는 적외광 IR 성분)을 검지하는 것이 가능한 이미지 센서를 사용한다.
즉, 반도체 기판의 깊이 방향에서의 파장에 따른 흡수 계수의 차이를 이용한 구조의 이미지 센서를 이용하는 경우, 일례로서는, 780㎚ 미만의 가시광 VL광에 의해 광전 변환시킨 전자를 실리콘(Si) 기판의 깊이 방향에서, 비교적 얕은 부분∼5㎛ 정도의 깊이(가시광 검지 영역(611VL))에서 흡수시킨다. 이렇게 함으로써, 5㎛ 정도보다도 얕은 가시광 검지 영역(611VL)에서 취득한 신호를 검지하는 구조로 하면, 가시광 성분에 대한 전기 신호를 취득할 수 있다.
나머지의 광 성분 즉 파장 780㎚ 이상의 적외광 IR에 의해 광전 변환시킨 전자를, 5㎛보다도 더 깊은 영역(적외광 검지 영역(611IR))에서 흡수시킨다. 양자의 검지 영역의 경계 부분에는, 전기적 비접속 영역을 형성한다. 이렇게 함으로써, 5㎛보다도 깊은 적외광 검지 영역(611IR)에서 취득한 신호를 검지하는 구조로 하면, 적외광 성분만의 전기 신호를 취득할 수 있다. 즉, 반도체층의 얕은 영역에서 광전 변환되는 가시광 VL(예를 들면 파장 780㎚ 미만)의 신호 성분을 배제하고, 반도체층의 깊은 영역에서 광전 변환되는 적외광 IR(예를 들면 파장 780㎚ 이상)의 성 분만을 이용함으로써, 입사한 적외광 IR 성분만의 전기 신호를 취득하도록 한다.
이에 의해, 적외광 검지 영역(611IR)에서, 가시광 VL의 영향을 거의 받지 않는 적외광 화상을 취득할 수 있다. 또한, 비교적 얕은 부분∼5㎛ 정도의 깊이의 영역(가시광 검지 영역(611VL))에서 취득한 신호를 검지함으로써, 가시광 검지 영역(611VL)에서도 가시광 성분의 전기 신호를 취득할 수 있다.
이에 의해, 입사한 가시광 성분만의 광 전자만을 가시광 촬상 신호 SVL로 변환해서 적외광 IR의 영향을 거의 받지 않는 가시광 상을 취득함과 함께, 입사한 적외광 성분만의 광 전자만을 적외광 촬상 신호 SIR로 변환해서 가시광 VL의 영향을 거의 받지 않는 적외광 화상을 동시에 또한 독립적으로 얻을 수 있다.
또한, 도 51의 (B)에 도시하는 바와 같이, 가시광 컬러 촬상을 촬상하기 위해, 그 수광면에, 각 수광부(화소)에 대응시켜 색 분리 필터(624)의 소정 색(예를 들면 624R, 624G, 624B 중 어느 하나)을 설정한다. 반도체 기판의 깊이 방향에서의 파장에 따른 흡수 계수의 차이를 이용하면, 비교적 얕은 부분의 가시광 검지 영역(611VL)에서，실시예의 파장 분리도 가능하지만, 실제로는, 분리 성능은 반드시 좋은 것은 아니며, 색 재현성을 중시한 경우에는, 색 분리 필터를 이용한 쪽이 바람직하다.
이에 의해, 입사한 가시광 성분만의 광 전자만을 가시광 촬상 신호 SVL로 변환해서 적외광 IR의 영향을 거의 받지 않는 가시광 컬러 화상을 취득함과 함께, 입사한 적외광 성분만의 광 전자만을 적외광 촬상 신호 SIR로 변환해서 가시광 VL의 영향을 거의 받지 않는 적외광 화상을 동시에 또한 독립적으로 얻을 수 있다.
또한, 색 분리 필터(424)를 갖는 화소의 비교적 깊은 적외광 검지 영역(611IR)은, 비교적 얕은 가시광 검지 영역(611VL)으로부터 얻어지는 가시광 컬러 화상에 대한 보정 화소로서도 기능한다. 또한, 색 분리 필터(424)를 갖지 않는 화소를 설치함으로써, 이 화소를, 가시광으로부터 적외광까지의 전체 파장의 성분을 검지하는 화소로 할 수 있고, 다른 색 분리 필터(424)를 갖는 화소로부터 얻어지는 가시광 컬러 화상에 대한 보정 화소로서 이용할 수도 있다.
<적외광 혼입에 따른 문제점>
이상 설명한 바와 같이, 각종 구조의 고체 촬상 소자(314)의 구성예에 대하여 설명했지만, 모두, 가시광 성분에 적외광 성분이 혼입해서 검지부에 침입하게 되어, 가시광 상을 나타내는 신호 강도에 적외 신호가 가산되게 되어, 가시광 컬러 화상의 색 재현이 악화되는 문제를 갖는다. 예를 들면, 유전체 적층막을 이용한 구조에서는, 적외광과 가시광의 상을 동시에 도입함으로써 고감도화나 적외 통신 기능 등 고기능화를 달성할 수 있지만, 가시광인 RGB 원색 필터 또는 CyMgYe 보색 필터의 화소에서는 적외광을 완전하게 반사시키지 않으면 적외광이 일부 누설되어 검지부에 침입하게 되어, 신호 강도에 적외 신호가 가산되어 색 재현이 악화되게 된다. 이하, 이 점에 대하여 설명한다.
도 52는, 도 35에 도시하는 유전체 다층막 구조(이 구조는 근적외광의 반사가 높아지도록 설계된 것임)의 분광 이미지 센서(11)와 마찬가지의 구조를 갖는 것으로, 제k층의 유전체층(1_k)의 두께를 3.2㎛으로 하고, 적외광 IR의 반사 중심 파장 λ0을 852㎚이 아니라 더 낮은 측의 770㎚으로 변경하고 있다.
도 53은, 도 52에 도시하는 유전체 다층막 구조의 분광 이미지 센서(11)에서, 수직 방향으로부터 광이 입사했을 때의 반사 스펙트럼을 유효 프레넬 계수법에 의해 계산으로 개산한 결과를 도시한 도면이다. 여기에서, SiN과 SiO2의 다층막으로 한 것은, 통상의 Si계의 프로세스로서 자주 사용되는 재료이기 때문이다. 투과율 스펙트럼은, 반사율 R을 1로부터 뺀 T=1-R의 스펙트럼으로 된다.
또한, 도 54는, 통상 자주 사용되고 있는 컬러 필터의 분광 감도 곡선을 도시하는 도면(분광 감도 특성도)이다. 도 55는, 실제로 얻어지는 분광 감도 곡선의 일례를 도시하는 도면이다. 도 54에 도시하는 감도 곡선에, 도 53에 도시하는 반사 스펙트럼으로부터 유도되는 투과 스펙트럼을 곱한 것이, 도 55에 도시하는 실제로 얻어지는 분광 감도 곡선으로 된다. 도 55로부터 알 수 있는 바와 같이, 파장 700㎚ 전후 이상의 적외광 측에서 약 10% 정도의 분광 감도를 갖게 된다.
또한, 도 56은, 도 53과 마찬가지로, 도 35에 도시하는 유전체 다층막 구조(이 구조는 근적외광의 반사가 높아지도록 설계된 것임)의 분광 이미지 센서(11)와 마찬가지의 구조를 갖는 것으로, 제k층의 유전체층(1_k)의 두께를 3.2㎛으로 하고, 적외광 IR의 반사 중심 파장 λ0을 852㎚으로 한 경우에서의, 반사 스펙트럼을 유효 프레넬 계수법에 의해 계산으로 개산한 결과를 도시한 도면이다. 여기에서는, 설계 중심인 센터 조건과, 이 센터 조건에 대하여, 적외광 IR의 반사 중심 파장 λ0을 각각 -10%, -10%로 한 경우를 도시하고 있다.
도 57은, 소니(주)제의 촬상 소자 ICX456AQ에 사용되고 있는 컬러 필터의 분 광 감도 곡선을 도시하는 도면이다. 도 58은, ICX456AQ에서 실제로 얻어지는 분광 감도 곡선을 도시하는 도면이다. 여기에서는, 도 52에 도시하는 바와 같이, 제k층의 유전체층(1_k)의 두께를 3.2㎛으로 하고, 그 위에 9층 구조의 기본층을 형성하였다. 도 55과 도 58의 비교로부터 알 수 있는 바와 같이, 적외광 IR의 반사 중심 파장 λ0이 높으면, 파장 700㎚ 전후 이상의 적외광 측에서는, 더 큰 분광 감도를 갖게 된다.
도 102에 도시하는 바와 같이, 대부분의 반도체는 적외광에 대하여 흡수 감도를 갖는다. 이 때문에, 적외광 측에 어느 정도의 분광 감도를 갖는 경우에는, 가시광을 수광하는 검지부로부터 얻어지는 화소 신호에는, 3원색 또는 보색계의 가시광의 광 강도의 신호 외에, 적외광에 의한 신호 성분이 가산되게 되어, 실제의 색 신호와는 달리, 색 재현이 나빠진다. 특히, 원색 필터의 경우에는 적색, 보색 필터의 경우에는 마젠타나 옐로와 같은, 적외광에 가까운 파장 성분에 관한 검지부로부터 얻어지는 화소 신호에의 적외광 성분의 누설이 커진다.
도 59 및 도 60은, 가시광 성분에 적외광 성분이 혼입되는 것에 의한 색 재현성의 영향을 설명하는 도면이다. 여기에서는, 가시광의 수광부에 동시에 적외광이 입사된 경우의 색차를 계산으로 구한 결과를 도시하고 있다. 모두, Lab(올바르게는 L*a*b*이지만 “*”을 생략해서 나타냄) 공간에서의 색차 ΔEab(올바르게는 ΔEa*b*이지만 “*”을 생략해서 나타냄)를 맥베스 차트의 24색에 대하여 계산한 것이다. 또한, 맥베스 차트란, 그레타그맥베스(GretagMacbeth)사가 컬러 매니지먼트용으로 측색기의 교정용 차트로서 규격화한 것이다.
여기에서, 도 59는, 적외광이 화소에 동시에 입사해서 RGB의 각 색의 신호 강도가 전부 +5% 증가한 경우를 도시하고, 도 60은, R은 20.62%, G는 10.4%, B는 15.3% 각각 증가한 경우를 도시하고 있다. 또한, 이들 도면은, ｘｙ 색도도 상에 계산한 결과를 플롯하여, ΔEab≥5로 되는 영역을 나타내고 있다.
색차 ΔEab는, 하기 수학식 4와 같이, 적외광의 입사분을 추가한 경우와 추가하지 않은 경우 사이에서 계산에 의해 구하고 있다.
Figure 112006052171949-PAT00004
도 59 및 도 60으로부터 알 수 있는 바와 같이, 어떠한 경우도, 가시광 성분에 적외광의 입사분이 있으면, ΔEab≥5의 영역이 존재한다. 예를 들면, 도 59의 경우에는 맥베스 차트의 24색 중 6색이, 또한 도 60의 경우에는 24색 중 17색이 ΔEab≥5로 되었다. 일반적으로, ΔEab≥5로 됨으로써 인간의 감각으로서 색의 차이를 알게 되므로, 가시광 성분에 적외광의 입사분이 있으면 색 재현이 악화되게 된다.
따라서, 색 재현을 고려한 경우, 적외광 컷트 필터를 이용하는 것이 효과적인 것을 알 수 있다. 그러나, 적외광 컷트 필터를 이용하면, 코스트가 높아지고, 가시광에서의 광도 컷트되기 때문에 감도가 저하한다.
적외광 컷트 필터를 이용하지 않는 특허에 관해서 특허 문헌 13에 근적외 영역의 광을 투과시키지 않는 필터를 구비한 촬상 소자를 이용하는 것이 기재되어 있지만, 구체적인 필터의 재질이나 구조에 대해서는 기재되어 있지 않다. 또한 특허 문헌 8에 기재되어 있는 적외 컷트 필터의 위치를 절환하는 것, 특허 문헌 9에 기재되어 있는 R-Y 신호의 플러스/마이너스를 검출하여, 적외광의 영향이 커지는 R-Y 신호가 플러스인 경우에 보정을 행하는 것이 제안되어 있다. 그러나 장치가 대규모로 되거나 회로가 대규모로 되거나 함으로써 코스트가 높아지는 결점이나, 보정 정밀도가 충분하지 않은 등의 결점을 갖는다.
그래서, 적외광의 반사율을 높이기 위해서, 적외광 컷트 필터를 이용하지 않는 유전체 적층막을 이용한 분광 이미지 센서(511)로서, 다층막의 층수를 많게 하거나, 또는 다층막의 각 층의 굴절률차를 크게 하는 방법을 채용하는 것이 고려된다. 그러나, 층수를 늘리는 방법에서는, 예를 들면 도 7에 도시하는 바와 같이 SiO2층과 SiN층의 조합의 분광 이미지 센서(11)로 한 경우, 예를 들면 6주기 11층으로 한 경우라도, 도 8에 도시하는 바와 같이, 반사율은 0.9 정도이며, 이것으로는 가시광 성분에 적외광의 입사분이 존재하여 색 재현이 악화되게 된다. 반사율을 1.0에 근접시키기 위해서는, 더욱 층수를 늘리는 것이 고려되지만, 이 경우, 동시 에 두께도 1㎛ 이상으로 두꺼워진다. 이러한 후막 구조로 하는 것은, 다층막의 제작 공정상 곤란이 수반되어, 양산성에서 문제로 된다.
또한, 굴절률차를 크게 취하는 것으로 하여, 예를 들면 도 25나 도 27에 도시하는 제4 변형예와 같이 SiO2층과 Si층의 조합의 분광 이미지 센서(11)로 한 경우, 도 26이나 도 28에 도시하는 바와 같이, 예를 들면 기본층을 5층 구조로 함으로써, 적외 영역에서의 반사율을 “1”정도로 높게 할 수 있지만, 그 반면, 가시광 영역에서의 반사율이 높아져, 가시광의 광전 변환 효율이 저하하게 되어, 감도 저하의 원인으로 된다.
또한, 경사 입사광에 의한 누설이 적지 않게 존재하므로, 서로 다른쪽의 누설 성분의 영향을 받아, 분리 취득한 가시광 상은 색 재현성이 그 누설 분만큼 저하하며, 또한 적외광 화상에는 그 누설분의 가시광 상 성분이 나타나게 될 우려가 존재한다.
즉, 유전체 적층막을 이용한 센서 구조로 하는 경우, 디바이스의 두께나 수광 감도나 색 재현성 등의 전부를 최적으로 하는 것은 어려워, 전체의 밸런스를 취한 구조로 하지 않을 수 없어, 결과적으로, 적외광 성분의 누설에 의한 색 재현성이 문제로서 남는다.
또한, 회절 격자(501)를 이용한 분광 이미지 센서(511)의 경우, 도 44∼도 48로부터 알 수 있는 바와 같이, 폭 방향(도면 중의 X 방향)에서의 파장에 따른 장소 의존성을 이용함으로써 가시광과 적외광을 분리할 수 있지만, 도 48로부터 알 수 있는 바와 같이, 가시광과 적외광의 경계 부근에서는 가시광(청색광, 녹색광, 및 적색광)과 적외광(파장 880㎚)의 분리가 불완전하여, 결과적으로, 적외광 성분의 누설에 의한 색 재현성이 문제로서 남는다. 반대로, 적외광 화상에 관해서는, 가시광 성분의 누설에 의한 영향이 존재한다.
또한, 반도체의 깊이 방향에서의 파장에 따른 흡수 계수의 차이를 이용한 고체 촬상 소자(611)의 경우, 가시광 검지 영역(611VL)에서 얻어지는 가시광 성분에는, 종래 기술에서 설명한 것으로부터 알 수 있는 바와 같이, 적외광 IR이 통과할 때에 어느 정도 흡수를 받기 때문에, 그 적외광 IR이 가시광 VL로서 오검지되므로, 적외광 성분의 영향을 받는다.
또한, 반도체의 깊이 방향에서의 파장에 따른 흡수 계수의 차이를 이용한 구조의 고체 촬상 소자(611)를 이용한 경우, 적외광 IR과 가시광 VL 중의 적색 성분과의 경계 근방 파장은 서로 다른쪽의 흡수를 어느 정도 받으므로, 적외광 촬상 영역에서 얻어지는 적외광 화상 성분에는, 가시광대의 특히 적색 성분의 영향을 받을 수 있다.
<<적외광 혼입의 해결 방법>>
이러한 문제를 해결하기 위해, 본 실시예의 촬상 장치(300)는, 화상 신호 처리부(340)에 적외광 보정 처리부(342)를 구비함으로써, 가시광을 수광하는 검지 영역에서의 적외광 혼입에 따른 색 재현 문제의 해결을 도모하도록 하고 있다. 이렇게 함으로써, 광학적인 파장 분리 수단(전형예는 적외광 컷트 필터)을 이미지 센서 앞에 설치하지 않아도 신호 처리에 의해 가시광 영역에 대한 불필요 성분인 적외광 을 억제·제거할 수 있다. 적외광의 누설이 가시광 검지부의 검지 결과에 존재해도, 그 불필요한 적외광의 성분을 신호 처리에 의해 억제·제거할 수 있으므로, 충분한 색 재현성의 가시광 컬러 화상을 취득할 수 있는 촬상 장치의 실현 시에, 이미지 센서의 사용 범위가 넓어진다. 이하, 그 방법에 대하여, 구체적으로 설명한다.
<색 분리 필터 배열; 제1 예>
도 61은, 보정 연산에 의해 가시광 컬러 화상과 적외광 화상을 각각 독립적으로 구하는 것을 항상 가능하게 하는 색 분리 필터 배치의 제1 구체예(이하 제1 구체예라고 함)를 도시하는 도면이다. 이 제1 구체예는, 가시광 컬러 화상에 대한 보정용의 검지 영역으로서, 가시광을 배제하고 적외광만을 수광·검지하는 검지 영역을 형성하는 점에 특징을 갖는다.
도 61의 (A)에 도시하는 바와 같이, 각 색의 필터를 모자이크 형상으로 배치한 소위 베이어(Bayer) 배열의 기본형의 컬러 필터를 이용하고 있으며, 우선, 정방 격자 형상으로 배치된 단위 화소가 적(R), 녹(G), 청(B)의 3색 컬러 필터에 대응하도록, 색 분리 필터의 반복 단위가 2화소×2화소로 배치되어 화소부를 구성하도록 한다. 또한, 가시광을 배제하고 적외광만을 수광·검지하는 검지부(검지 영역)를 형성하기 위해, 2개의 녹(G) 중의 한쪽을 흑색 필터 BK로 치환한다. 즉, 가시광 컬러 화상용으로 원색 필터 R, G, B의 3개의 파장 영역(색 성분)용의 것과, 원색 필터 R, G, B의 성분과는 다른 적외광용의 흑색 필터 BK와 같은 별개의 필터 특성을 갖는 4종류의 색 필터를 규칙적으로 배치하고 있다.
예를 들면, 짝수행 홀수열에는 제1 컬러(적; R)를 감지하기 위한 제1 컬러 화소를 배치하고, 홀수행 홀수열에는 제2 컬러(녹; G)를 감지하기 위한 제2 컬러 화소를 배치하며, 홀수행 짝수열에는 제3 컬러(청; B)를 감지하기 위한 제3 컬러 화소를 배치하고, 짝수행 짝수열에는 적외광 IR을 감지하기 위한 제4 컬러 화소(여기서는 흑색 보정 화소)를 배치하고 있으며, 행마다 다른 G/B, 또는 R/BK의 화소가 체크 모양 형상으로 배치되어 있다. 이러한 베이어 배열의 기본형의 컬러 필터의 색 배열은, 행 방향 및 열 방향의 어느 쪽에 대해서도, G/B 또는 R/BK의 2색이 2개마다 반복된다.
원색 필터 R, G, B를 통하여 대응하는 검지부에서 검지함으로써 가시광 컬러 화상을 촬상할 수 있음과 함께, 흑색 필터 BK를 통과시켜 대응하는 검지부에서 검지함으로써 적외광 화상을 가시광 컬러 화상과는 독립적으로 또한 동시에 촬상할 수 있다. 또한, 이 흑색 필터 BK를 배치한 화소로부터 얻어지는 적외광 신호는, 원색 필터 R, G, B를 배치한 화소로부터 얻어지는 가시광 컬러 화상에 대한 보정 신호로서도 이용한다.
도 62 및 도 63은, 도 61에 도시한 색 분리 필터의 배치를 갖고, 적외광 IR만과 가시광 VL의 2개의 파장 성분을 동시에 상으로서 따로따로 촬상할 수 있도록 한 CCD 고체 촬상 소자를 설명하는 도면이다. 여기에서, 도 62는, 구조예를 도시하는 견취도(사시도)이다. 또한, 도 63은, 기판 표면 부근의 단면 구조도이다. 또한 여기에서는, 유전체 적층막을 이용한 CCD 고체 촬상 소자(101)에의 적용 사례로 도시하고 있다.
도 62에 도시하는 CCD 고체 촬상 소자(101)의 구조에서는, 4화소로 이루어지는 단위 화소 매트릭스(12)만을 나타내고 있지만, 실제로는 이것을 가로 방향으로 반복하고, 그것을 다시 세로 방향으로 반복한 구조이다.
단위 화소 매트릭스(12)를 이루는 주기 배열의 4화소 중, 1개의 화소(12IR) 상에는 유전체 적층막(1)이 형성되어 있지 않지만 흑색 필터(14BK)가 설치되어 있어, 이 흑색 필터(14BK)를 통하여 적외광 IR만을 수광하도록 되어 있다. 즉, 적외광 IR의 화소(12IR) 상에, 색 필터(14)로서 흑색 필터(14BK)를 이용함으로써, 가시광 VL을 컷트하고, 적외광 IR만을 수광할 수 있도록 하고 있다. 이 흑색 필터(14BK)가 설치된 가시광 컬러 화상에 대한 보정에 사용되는 화소(12IR)를 흑색 보정 화소(12BK)라고도 부른다.
한편, 다른 3개의 화소(12B, 12G, 12R) 상에는 유전체 적층막(1)이 형성되며, 또한 그 위에 원색 필터(14R, 14G, 14B)가 설치되어 있어, 원색 필터(14R, 14G, 14B)를 통하여 가시광 VL 중의 대응하는 청색 B, 녹색 G, 및 적색 R의 3원색을 수광하도록 하고 있다. 즉, 유전체 적층막을 3원색계의 컬러 필터가 있는 화소의 검지부 상에 형성함으로써, 적외광을 효과적으로 컷트할 수 있는 기능을 갖게 하고 있다.
또 기판 표면 부근의 단면 구조도를 도시한 도 63에서는, 가시광 VL만을 수광하는 화소를 도시하고 있다. 적외광 IR을 수광하는 화소(12IR)는, 유전체 적층막(1) 및 흑색 필터(14BK)가 없는 구조이다. 즉, 도 31에서 설명한 제작 프로세스 공정과 같이 유전체 적층막을 도 16에 도시한 구조로 CVD법에 의해 SiN층과 SiO2층을 순차적으로 적층한 후, 리소그래피 기술과 RIE법에 의해 적외광 IR을 수광하는 화소에서만 제거한다. 그 후, 다시 SiO2층을 적층해서 평탄화하였다.
이러한 구조로 제작된 촬상 소자를 이용함으로써, 3원색 성분에 기초하는 가시광 컬러 화상과, 적외광 IR만의 상을 동시에 촬상할 수 있다는 것을 알 수 있다. 단, 가시광 컬러 화상은, 적외광의 누설에 의한 색 재현성의 저하의 우려가 있다. 이 때문에, 다음과 같이 해서 보정을 행한다.
<제1 구체예의 보정 방법>
도 64∼도 67은, 제1 구체예에서의 적외광 성분의 보정 방법을 설명하는 도면이다. 여기에서, 도 64는, 제1 구체예에서 이용하는 색 필터(14)의 특성예를 도시하는 도면이다. 도 65∼도 67은, 보정 연산에서 이용하는 계수의 설정 방법을 설명하는 도면이다.
우선, 가시광 컬러 화상 촬상용의 색 필터(14)로서, 가시광 VL(파장 λ=380∼780㎚)의 3원색인 청색 성분 B(예를 들면 파장 λ=400∼500㎚에서 투과율이 대략 1, 그 이외에서 대략 제로), 녹색 성분 G(예를 들면 파장 λ=500∼600㎚에서 투과율이 대략 1, 그 이외에서 대략 제로), 적색 성분 R(예를 들면 파장 λ=600∼700㎚에서 투과율이 대략 1, 그 이외에서 대략 제로)을 중심으로 하는 원색 필터(14R, 14G, 14B)를 이용한다.
또한, 투과율이 “대략 1”이라는 것은, 이상적인 상태를 말한 것으로, 그 파장 영역에서의 투과율이 그 밖의 파장 영역에서의 투과율보다도 훨씬 큰 것이면 된다. 일부에 “1”이 아닌 투과율이 있어도 된다. 또한, 투과율이 “대략 제로”인 것에 대해서도, 마찬가지로 이상적인 상태를 말한 것으로, 그 파장 영역에서의 투과율이 그 밖의 파장 영역에서의 투과율보다도 훨씬 작은 것이면 된다. 일부에 “제로”가 아닌 투과율이 있어도 된다.
또한, 통과 파장 영역 성분인 가시광 VL영역 중의 소정 색(원색 혹은 보색)의 파장 영역 성분을 통과시키는 것이면 되고, 반사 파장 영역 성분인 적외광 IR 영역을 통과시킬 것인가의 여부 즉 적외광 IR에 대한 투과율은 불문이다. 유전체 적층막(1)에 의해 적외광 IR 성분을 컷트하기 때문이다.
일례로서, 도 64의 (A)(사실상, 도 54와 마찬가지임)에 도시한 바와 같은 분광 감도 특성의 것을 이용한다. 이것은, 현재 일반적으로 사용되고 있는 색 필터의 것이다. 파장 380㎚∼540㎚ 정도를 청색 파장 영역으로 하고, 파장 420㎚∼620㎚ 정도를 녹색 파장 영역으로 하며, 파장 560㎚∼780㎚을 적색 파장 영역으로 하는 감도 특성으로 하고 있다.
이 도 64의 (A)로부터 알 수 있는 바와 같이, 녹색 G의 감도 곡선은, 640㎚보다 장파장의 광에 대해서도 감도를 갖게 된다. 이것은 640㎚보다 장파장의 광이 입사했을 때에는 색 재현성이 나빠지는 것을 의미한다. 마찬가지의 것은, 다른 색(R, B)에 대해서도 적용할 수 있으며, 적외광 영역의 광에 대해서도 감도를 갖고, 이것은 적외광이 입사했을 때에는 색 재현성이 나빠지는 것을 의미한다.
또한, 가시광 컬러 화상에 대한 보정 성분으로서도 이용되는 적외광 화상을 촬상하기 위한 색 필터(14)로서는, 일례로서, 도 64의 (B)에 도시하는 바와 같이, 주로 가시광 VL을 흡수해서 적외광 IR을 투과시키는 특징을 갖는 흑색 필터(14BK), 즉 적외광 IR(파장 λ≥780㎚)에서 투과율이 대략 1, 그 이외에서 대략 제로인 것을 이용한다. 이것에 의해, 화소(12IR)가 적외광에만 감도를 갖도록 한다.
또한, 투과율이 “대략 1”이라는 것은, 이상적인 상태를 말한 것으로, 적외광 IR의 파장 영역에서의 투과율이 그 밖의 파장 영역에서의 투과율보다도 훨씬 큰 것이면 된다. 또한, 투과율이 “대략 제로”인 것에 대해서도, 마찬가지로 이상적인 상태를 말한 것으로, 그 파장 영역에서의 투과율이 그 밖의 파장 영역에서의 투과율보다도 훨씬 작은 것이면 된다.
또한, 여기서의 흑색 필터(14BK)는, 원리적으로는, 가시광과 적외광의 경계인 파장 780㎚보다 장파장 측을 투과하는 필터, 즉 주로 380㎚∼780㎚의 가시광 파장 영역에서 흡수성을 나타내며, 주로 파장 780㎚ 이상인 적외광 파장 영역에서 투과성을 나타내는 흑색 필터면 되지만, 이 도 64의 (B)에 도시하는 바와 같이, 파장 700㎚보다 장파장 측을 투과하는 필터, 즉 주로 380㎚∼700㎚의 가시광 파장 영역에서 흡수성을 나타내며, 주로 파장 700㎚ 이상의 파장 영역에서 투과성을 나타내는 흑색 필터라도 된다.
또 원색 필터(14R, 14G, 14B)의 분광 감도 곡선에 따라서는, 최적인 흑색의 투과 스펙트럼이 서로 다르다. 예를 들면, 도 54에 도시하는 것의 경우, 녹색 G의 감도 곡선은 640㎚보다 장파장의 광에 대해서도 감도를 갖고, 640㎚보다 장파장의 광이 입사했을 때에는 색 재현성이 나빠지므로, 이것도 보정하기 위해, 흑색 필 터(14BK)로서는, 640㎚보다 장파장 측을 투과하는 것, 즉 주로 380㎚∼640㎚의 가시광 파장 영역에서 흡수성을 나타내며, 주로 파장 640㎚ 이상의 파장 영역에서 투과성을 나타내는 흑색 필터인 것이 보다 적절하다고 하게 된다.
이러한 흑색 필터(14BK)가 배치된 흑색 보정 화소(12BK)를 설치함으로써, 촬상 소자에 입사해 오는 적외광 IR만을 신호의 값으로 하여 화소(12IR)에 의해 측정할 수 있다. 또한, 그 신호값에 계수를 곱한 것을 각 3원색 또는 보색의 광의 신호로부터 뺌으로써 가산된 적외 신호(적외 성분의 신호)를 컷트할 수 있다. 이것에 의해 적외광이 있는 상황 하에서도 색 재현이 좋은 화상을 취득할 수 있다.
구체적으로는, 가시광 컬러 화상을 나타내는 각 원색 신호 성분 SR, SG, SB를, 적외광 화상을 나타내는 적외광 신호 성분 SIR(적외광의 측정 신호 강도)을 사용하여 보정함으로써, 적외광(제2 파장 영역)의 성분의 영향을 배제한, 가시광 성분(제1 파장 영역의 성분)에 관한 가시광 컬러 화상을 재현하기 위한 보정 완료 원색 신호 SR＊，SG＊，SB＊, 즉 본래의 가시광 파장 영역에서의 각 색 신호 성분만의 정확한 색 신호 강도를 취득한다.
이 보정 연산에서는, 하기 수학식 5의 (5-1)과 같이, 본래의 가시광 파장 영역에서의 각 색 신호 성분에 적외광의 누설 신호 성분이 가해진 원색 신호 성분 SR, SG, SB로부터, 적외광 신호 성분 SIR에 소정의 계수 αR, αG, αB를 곱한 보정 신호 성분을 감산함으로써, 적외광(제2 파장 영역)의 누설 성분의 영향을 배제한 보정 완료 원색 신호 SR＊，SG＊，SB＊을 취득한다.
또한, 제2 파장 영역의 성분을 저감하기 위한 적외광 컷트 필터를 설치한 경 우와의 비교에서는, 적외광 컷트 필터를 설치하지 않는 경우에는, 가시광 컬러 화상용의 3원색 신호 성분이 커지므로, 동등한 신호 레벨로 하기 위해서는, 다시 하기 수학식 5의 (5-2)와 같이, 적외광 신호 성분 SIR에 계수 εR, εG, εB와 원색 신호 성분 SR, SG, SB를 곱한 비선형의 보정 신호 성분을 더 감산하면 된다. 즉, 색 신호 성분 SR, SG, SB에 대하여 미리 적외광 신호 성분 SIR에 소정의 계수 εR, εG, εB를 곱한 값에 의해 비선형으로 감도 보정을 가해 두고, 이 감도 보정이 가해진 것으로부터 적외광 신호 성분 SIR에 소정의 계수 αR, αG, αB를 곱한 보정 신호 성분을 감산하면 된다.
마이너스의 계수 εR, εG, εB로 고려하면, 사실상, 제2 검지부에서 검지된 적외광 성분과 제1 검지부에서 검지된 본래의 화소 신호와의 곱에 마이너스의 계수 εR, εG, εB를 곱한 비선형의 신호 성분을 가산함으로써 보정을 행하게 된다.
이렇게 함으로써, 적외광(제2 파장 영역)의 누설 성분의 영향을 배제한, 가시광 성분(제1 파장 영역의 성분)에 관한 가시광 컬러 화상을 재현하기 위한, 본래의 가시광 파장 영역에서의 각 색 신호 성분만의 각 보정 색 신호 SR＊＊， SG＊＊，SB＊＊을 더욱 정밀도 좋게 취득할 수 있다. 또한, 이 수학식 5의 (5-2)에 따른 보정은, 3원색 신호 성분의 모두에 대하여 행할 필요는 없으며, 특히 휘도 신호에의 영향 정도가 강한 녹색 신호 성분에 대해서만 행하도록 해도 된다.
Figure 112006052171949-PAT00005
또한, 계수 αR, αG, αB의 설정에 있어서는, 적외광의 누설 성분을 충분히 억제할 수 있도록 하는 것이 긴요하다. 여기에서, 적외광의 누설 성분은, 광원에 포함되는 적외광 파장 영역의 강도에도 의존하게 된다.
예를 들면, 도 65는, 가시광 검지 영역에서 검지되는 신호 강도의 광원에 의한 영향을 설명하는 도면이다. 일례로서, 여기에서는, 태양광의 파장 스펙트럼의 영향에 대하여 고려한다. 가시광 검지 영역에서 검지되는 신호의 강도는, 도 54에 도시하는 감도 곡선에 도 53에 도시하는 반사 스펙트럼으로부터 유도되는 투과 스펙트럼을 곱한 도 55에 도시하는 실제로 얻어지는 분광 감도 곡선에, 다시 이 도 65에 도시하는 광원 파장 스펙트럼을 곱한 것으로 된다.
도 66 및 도 67은, 유전체 적층막(1)을 이용한 분광 이미지 센서(11)와 색 필터(14)를 조합한 촬상 소자의 경우에서의, 광원에 의한 영향의 모습을 모식적으로 도시한 도면이다.
도 66의 (A)는 적외광의 스펙트럼 강도가 가시광의 스펙트럼 강도와 동일 정도인 경우를 도시하고 있고, 도 66의 (B)는 적외광의 스펙트럼 강도가 가시광의 스 펙트럼 강도보다도 낮은 경우를 도시하고 있다. 도 66의 (A), (B)의 비교로부터 알 수 있는 바와 같이, 소정 색의 색 필터(14)가 배치된 촬상 소자로부터 얻어지는 신호에 포함되는 적외광 성분은, 광원에 포함되는 적외광의 스펙트럼 강도에 의존(비례)한다.
따라서, 광원에 포함되는 적외광의 스펙트럼 강도의 영향을 받지 않고, 적외광의 누설 성분을 적절하게 억제하기 위해서는, 소정 색의 색 필터(14)가 배치된 촬상 소자로부터 얻어지는 신호로부터 항상 일정량을 감산하는 것이 아니라, 도 67에 도시하는 바와 같이, 그 감산량을, 광원에 포함되는 적외광의 스펙트럼 강도에 의존(비례)시키는 것이 좋게 된다. 적외광 성분을 실측하여, 그 실측 정보에 계수를 곱한 값을, 소정 색의 색 필터(14)가 배치된 촬상 소자로부터 얻어지는 신호로부터 감산함으로써, 실제의 촬상 환경 하에서의 적외광의 강도에 따른 적정량으로 보정을 가할 수 있어, 보정 정밀도가 매우 양호해진다.
또한, 임의의 광원 하에서 최적의 계수를 결정하면, 다음은 광원 조건이 변해도 동일한 계수를 사용할 수 있어, 유저가 촬상 환경에 맞게 보정량을 조정할 필요가 없어, 사용성이 좋다.
이와 같이 하여, 4종류의 색 필터를 배치한 각 화소의 출력을 매트릭스 연산함으로써, 가시광 컬러 화상 및 근적외광 화상을 각각 독립적으로 구할 수 있다. 즉, 포토 다이오드 등의 촬상 소자의 각 화소에, 별개의 필터 특성을 갖는 4종류의 색 필터를 배치하고, 4종류의 색 필터를 배치한 각 화소의 출력을 매트릭스 연산함으로써, 근적외광의 영향을 거의 전혀 받지 않는 가시광 컬러 화상을 형성하기 위 한 3원색 출력과, 가시광의 영향을 거의 전혀 받지 않는 근적외광 화상을 형성하기 위한 출력을, 각각 독립적으로 또한 동시에 취득할 수 있다.
특히, 가시광 컬러 화상에 관해서는, 적외광의 누설에 의한 색 재현의 불량을 연산 처리로 보정함으로써, 어두운 곳에서 감도가 높고, 또한 색 재현이 양호한 촬상이 가능하게 된다. 적외광에 가까운 적색의 신호 성분이 커지는 현상이나 영상의 붉은 부분에서 휘도가 높아지는 현상을 완화시킬 수도 있어, 특별한 촬상 소자나 기구를 이용하지 않아도, 저코스트로 색 재현성의 향상과 저조도 시의 감도 업의 밸런스를 취할 수 있다. 또한, 사용하는 원색 필터의 특성도 가미해서 흑색 필터(14BK)의 특성을 설정함으로써, 적외광보다도 저파장 측의 누설 성분에 의한 색 재현성의 문제를 해소할 수도 있다.
또한, 동일한 촬상 소자에서, 포토 다이오드 상에 일체적으로 형성된 유전체 적층막(1)의 일부를, 부분적으로 유전체 적층막(1)을 형성하지 않도록 하므로, 부분적으로 유전체 적층막(1)이 형성되어 있지 않은 유전체 적층막(1)을 갖는 별개의 광학 부재를 촬상 소자의 전면에 배치하는 경우와는 달리, 위치 정렬의 문제가 일어나지 않는다.
또한，R, G, B의 원색 필터의 화소 외에 흑색 필터의 화소(흑색 보정 화소(12BK))를 가함으로써 적외광의 신호를 얻지만, 이 흑색 보정 화소(12BK)는, 가시광 컬러 화상에 대한 보정이라는 점에서는, 반드시 적외광 화상을 촬상하는 데 충분한 배치 형태로 할 필요는 없으며, 통상의 화상을 촬상하기 위한 화소(12R, 12G, 12B)(제1 검지부)에 대하여 보정용의 화소(12IR)(제2 검지부)를 1대 1로 배치 하는 도 61에 도시하는 배치예에 한하지 않고, 임의의 부분에 배치해도 된다.
예를 들면 촬상 소자의 모서리(구석) 쪽에 여기저기 넣어도 된다. 이렇게 함으로써, 통상의 화상을 촬상하기 위한 복수의 화소(제1 검지부)에 대하여 보정용의 화소(제2 검지부)를 1개 배치하는 형태로 할 수 있어, 통상의 화상을 촬상하는 화소(제1 검지부)의 배열 형태에 대하여 거의 영향을 주지 않도록 하면서, 보정용의 화소(제2 검지부)를 설치할 수 있다. 단 이 경우, 1개의 보정용의 화소에서 취득한 보정 신호를 사용하여 통상의 화상을 촬상하는 복수의 화소의 화소 신호에 대하여 보정을 행하게 되므로, 보정용의 신호(본 예에서는 적외광 신호)의 면내 불균일에 대해서는 거의 대처할 수 없다.
이것을 해결하기 위해서는, 화소 배열 전체에, 보정용의 화소(제2 검지부)를 통상의 화상을 촬상하는 화소(제1 검지부)와의 사이에서 일정한 수비를 갖고 주기적으로 넣어도 된다. 피사체 표면의 적외광의 반사율이 그 피사체의 부분에 의해 변화되는 면내 불균일이 있는 경우에는, 화소 배열 전체에 주기적으로 넣음으로써 보정을 적절하게 행할 수 있게 된다. 보정용의 화소(제2 검지부)를 주기적으로 넣는 최선의 형태가, 통상의 화상을 촬상하기 위한 화소(제1 검지부)에 대하여 보정용의 화소(제2 검지부)를 1대 1로 배치하는 형태이다.
이와 같이, 흑색 보정 화소(12BK)와 유전체 적층막(1)을 조합함으로써, 효과적으로 가시광의 화소의 신호에 더해진 적외광의 신호를 제거할 수 있어, 유리제의 적외광 컷트 필터를 사용하지 않아도, 색 재현성이 양호한 가시광 컬러 화상을 취득할 수 있다. 유리제의 적외광 컷트 필터를 사용하지 않으므로, 코스트의 메리트 가 있고, 가시광의 투과율도 높아 고감도화가 달성된다. 유전체 적층막(1)을 이용한 경우의 적외광의 누설에 의한 색 재현의 불량에 대해서는, 흑색 보정 화소(12BK)에 의해 실측한 적외광 성분을 사용하여 연산 처리에 의해 보정하므로, 어두운 곳에서 감도가 높으며 또한 색 재현이 좋은 촬상이 가능하게 되고, 또한 보정을 위한 구성이 간단하고 보정 정밀도가 양호하다.
또한, 보정 화소로서 흑색 보정 화소(12BK)를 사용하고 있으므로, 가시광으로부터 적외광(특히 근적외광)까지의 전체 파장의 성분을 통과시키는 구성에 비하여(후술하는 백색 보정 화소를 이용한 제2 구체예를 참조), 신호의 포화가 일어나기 어려워, 다이내믹 레인지가 넓어진다.
또한, 상기 예에서는, 가시광 컬러 화상 촬상용의 색 필터(14)로서, 원색 필터(14R, 14G, 14B)를 이용하고 있었지만, 보색 필터 Cy, Mg, Ye를 이용할 수도 있다. 이 경우 예를 들면, 도 61의 (B)에 도시하는 바와 같이, 원색 필터(14R)를 옐로우 Ye로, 원색 필터(14G)를 마젠타 Mg로, 원색 필터(14B)를 시안 Cy로, 각각 치환한 배치로 하면 된다. 그리고, 대각으로 2개 존재하게 되는 마젠타 Mg의 한쪽에, 보정 화소로서의 흑색 필터 BK를 배치한다.
흑색 필터가 배치되는 화소를 제외한 화소(12Cy, 12Mg, 12Ye) 상에는 유전체 적층막(1)이 형성되며, 다시 그 위에, 보색 필터(14Cy, 14Mg, 14Ye)가 설치되고, 보색 필터(14Cy, 14Mg, 14Ye)를 통하여 가시광 VL 중의 대응하는 시안 Cy, 마젠타 Mg, 및 옐로우 Ye의 각 색을 수광하도록 한다. 즉, 유전체 적층막을 보색계의 컬러 필터가 있는 화소의 검지부 상에 형성함으로써, 적외광을 효과적으로 컷트할 수 있는 기능을 갖게 한다.
또한，Cy, Mg, Ye의 보색 필터만의 조합에 한하지 않고, 원색 필터의 하나인 녹색 필터 G나 백색 필터 W를 보색 필터와 조합한 것에 대해서도, 보정 화소를 이루는 흑색 필터 BK의 화소를 설치할 수도 있다. 예를 들면, 도 61의 (C)에 도시하는 바와 같이, Cy, Mg의 2개의 보색 필터와 G의 원색 필터를 조합한 필드 축적 주파수 인터리브 방식용의 것에서, 4화소 내에 2개 존재하는 원색 필터 G 중의 한쪽을 보정 화소로서의 흑색 필터 BK로 치환하면 된다.
이들 보색 필터를 이용하는 경우의 보정 연산에 있어서는, 하기 수학식 6과 같이, 본래의 가시광 파장 영역에서의 각 색 신호 성분에 적외광의 누설 신호 성분이 가해진 색 신호 성분 SCy, SMg, SYe, SG로부터, 적외광 신호 성분 SIR에 소정의 계수 αCy, αMg, αYe, αG를 곱한 보정 신호 성분을 감산하는 것이 좋다. 이렇게 함으로써, 적외광(제2 파장 영역)의 누설 성분의 영향을 배제한, 가시광 성분(제1 파장 영역의 성분)에 관한 가시광 컬러 화상을 재현하기 위한, 본래의 가시광 파장 영역에서의 각 색 신호 성분만의 각 보정 색 신호 SCy＊，SMg＊，SYe＊，SG＊을 취득할 수 있다.
Figure 112006052171949-PAT00006
<제1 구체예에서의 다른 센서 구조에의 적용예>
상기한 제1 구체예에서는, 유전체 적층막을 이용한 CCD 고체 촬상 소자(101)에의 적용 사례에서, 가시광을 배제하고 적외광만을 수광·검지하는 검지 영역을 형성하기 위해, 2개의 녹(G) 중의 한쪽을 흑색 필터 BK로 치환하고 있었지만, 회절 격자(501)를 이용한 분광 이미지 센서(511)나 반도체의 깊이 방향에서의 파장에 따른 흡수 계수의 차이를 이용한 고체 촬상 소자(611)에서도, 가시광을 배제하고 적외광만을 수광·검지하는 검지 영역을 형성하고, 이 검지 영역으로부터 얻어지는 적외광 신호를 사용하여 적외광 화상을 얻음과 함께, 이 적외광 신호를, 컬러 화상 촬상용의 색 필터(예를 들면 원색 필터 R, G, B)를 배치한 화소로부터 얻어지는 가시광 컬러 화상에 대하여 보정에 사용할 수도 있다.
예를 들면, 회절 격자(501)를 이용한 분광 이미지 센서(511)에 적용하는 경우, 소위 베이어(Bayer) 배열의 기본형의 컬러 필터 배열로 할 수 있다. 이 경우, 면방향에서 즉 2차원 형상에 있어서, 컬러 화상 촬상용의 원색 필터(12R, 12G, 12B)가 배치되는 부분에 각 색을 검지하는 가시광 화상 촬상 영역이 형성되며, 그 주위에, 적외광 화상 촬상을 검지하는 적외광 화상 촬상 영역이 형성되게 된다.
또한, 반도체의 깊이 방향에서의 파장에 따른 흡수 계수의 차이를 이용한 고체 촬상 소자(611)에 적용하는 경우에도, 소위 베이어(Bayer) 배열의 기본형의 컬러 필터 배열로 할 수 있다. 이 경우, 깊이 방향에서 즉 3차원 형상에 있어서, 컬러 화상 촬상용의 원색 필터(12R, 12G, 12B)가 배치되는 부분의 비교적 얕은 영역에 각 색을 검지하는 가시광 화상 촬상 영역이 형성되며, 그것보다도 더 깊은 영역에, 적외광 화상 촬상을 검지하는 적외광 화상 촬상 영역이 형성되게 된다.
어떠한 경우에도, 원색 필터(12R, 12G, 12B)의 분광 감도 특성에 관해서는, 바람직하게는, 각 원색의 파장 영역과 적외광 영역에서 투과율이 대략 1, 그 이외에서 대략 제로인 것을 사용하는 것이 좋다. 적외광 화상이나 가시광 컬러 화상에 대한 보정 성분으로서 사용되는 적외광 화상 촬상 영역으로부터 취득되는 신호 레벨의 저하가 일어나지 않도록, 반도체의 깊은 영역에 도달하는 적외광 성분의 감쇠를 적게 하기 위해서이다.
이에 의해, 어떠한 경우에도, 가시광 VL의 영향을 거의 받지 않는 적외광 화상을 가시광 컬러 화상과는 독립적으로 얻을 수 있다. 또한, 반도체의 얕은 영역에서 취득되는 가시광 컬러 화상에 대하여, 반도체의 깊은 영역에서 취득되는 적외광 화상의 성분을 사용하여 보정 연산함으로써, 가시광 상에 누설되는 적외광 성분의 영향을 배제함으로써, 색 재현성을 향상시킬 수 있다.
또한, 어떠한 경우에도, 유전체 적층막을 이용하는 경우와는 달리, 각각의 센서 구조의 특징으로부터 알 수 있는 바와 같이, 가시광 컬러 화상을 취득하기 위 한 검지 영역과 적외광 화상을 취득하기 위한 검지 영역이, 반도체의 면방향 혹은 깊이 방향으로 분리되며, 가시광 컬러 화상을 취득하기 위한 색 필터(14)를 설치함으로써, 자동적으로, 적외광 성분도 취득할 수 있는 구조이므로, 적외광 화상 촬상 영역을 형성할 때에는, 적극적으로, 보정용의 흑색 필터를 배치하지 않아도 되어, 소위 베이어(Bayer) 배열의 기본형의 컬러 필터 배열을 그대로 이용할 수 있다. 따라서, 후술하는 바와 같은, 본래 G의 화소가 흑색 보정 화소로 치환되는 것에 의한 가시광 컬러 화상 및 적외광 화상의 해상도 저하를 초래하는 일이 없다.
<색 분리 필터 배열; 제2 예>
도 68은, 보정 연산에 의해 가시광 컬러 화상과 적외광 화상을 각각 독립적으로 구하는 것을 항상 가능하게 하는 색 분리 필터 배치의 제2 구체예(이하 제2 구체예라고 함)를 도시하는 도면이다. 이 제2 구체예는, 가시광 컬러 화상에 대한 보정용의 검지 영역으로서, 적외광과 함께 가시광의 전체 파장 성분도 수광·검지하는 검지 영역을 형성하는 점에 특징을 갖는다.
도 68의 (A)에 도시하는 바와 같이, 소위 베이어 배열의 기본형의 컬러 필터를 이용하고 있으며, 우선, 정방 격자 형상으로 배치된 단위 화소가 적(R), 녹(G), 청(B)의 3색 컬러 필터에 대응하도록, 색 분리 필터의 반복 단위가 2화소×2화소로 배치되어 화소부를 구성하도록 한다. 또한, 적외광과 함께 가시광의 전체 파장 성분을 수광·검지하는 검지부(검지 영역)를 설치하기 위해, 2개의 녹(G) 중 한쪽을 백색 필터 W로 치환한다. 즉, 가시광 컬러 화상용으로 원색 필터 R, G, B의 3개의 파장 영역(색 성분)용의 것과, 원색 필터 R, G, B의 성분과는 다른 적외광용의 백 색 필터 W와 같은 별개의 필터 특성을 갖는 4종류의 색 필터를 규칙적으로 배치하고 있다.
또한, 백색 필터 W가 배치되는 백색 보정 화소는, 가시광으로부터 적외광(특히 근적외광)까지의 전체 파장의 성분을 통과시키는 것으로, 이 점에서는, 사실상, 컬러 필터를 설치하지 않는 구성을 채용할 수 있다.
예를 들면, 짝수행 홀수열에는 제1 컬러(적; R)를 감지하기 위한 제1 컬러 화소를 배치하고, 홀수행 홀수열에는 제2 컬러(녹; G)를 감지하기 위한 제2 컬러 화소를 배치하며, 홀수행 짝수열에는 제3 컬러(청; B)를 감지하기 위한 제3 컬러 화소를 배치하고, 짝수행 짝수열에는 적외광 IR을 감지하기 위한 제4 컬러 화소(여기서는 백 화소)를 배치하고 있으며, 행마다 다른 G/B, 또는 R/W의 화소가 체크 모양 형상으로 배치되어 있다. 이러한 베이어 배열의 기본형의 컬러 필터의 색 배열은, 행 방향 및 열 방향의 어느 쪽에 대해서도, G/B 또는 R/W의 2색이 2개마다 반복된다.
원색 필터 R, G, B를 통하여 대응하는 검지부에서 검지함으로써 가시광 컬러 화상을 촬상할 수 있음과 함께, 백색 필터 W를 통하여 대응하는 검지부에서 검지함으로써 적외광 화상, 혹은 적외광과 가시광의 혼재 화상을 가시광 컬러 화상과는 독립적으로 또한 동시에 촬상할 수 있다. 예를 들면, 적외광 IR과 가시광 VL의 혼합 성분을 수광하는 화소(12IR)로부터의 화소 데이터를 그대로 이용함으로써, 적외광 IR과 가시광 VL의 혼합 성분의 상을 얻을 수 있어, 감도를 높게 할 수 있다. 또한, 적외광 IR과 가시광 VL의 혼합 성분의 상과 함께 가시광 VL의 상이 얻어지는 데, 양자의 차분을 취함으로써, 적외광 IR만의 상이 얻어진다. 또한, 이 백색 필터 W를 배치한 화소로부터 얻어지는 혼재 화상 신호는, 원색 필터 R, G, B를 배치한 화소로부터 얻어지는 가시광 컬러 화상에 대한 보정 신호로서도 이용한다.
도 69는, 도 68에 도시한 색 분리 필터의 배치를 갖고, 적외광 IR과 가시광 VL의 2개의 파장 성분을 동시에 상으로서 따로따로 촬상할 수 있도록 한 CCD 고체 촬상 소자를 설명하는 도면이다. 여기에서, 도 69는, 구조예를 도시하는 견취도(사시도)이다. 또 여기에서는, 유전체 적층막을 이용한 CCD 고체 촬상 소자(101)에의 적용 사례로 도시하고 있다. 기판 표면 부근의 단면 구조도는 도 63과 마찬가지이다.
도 69에 도시하는 CCD 고체 촬상 소자(101)의 구조에서는, 4화소로 이루어지는 단위 화소 매트릭스(12)만을 나타내고 있지만, 실제로는 이것을 가로 방향으로 반복하고, 그것을 다시 세로 방향으로 반복한 구조이다.
단위 화소 매트릭스(12)를 이루는 주기 배열의 4화소 중, 1개의 화소(12IR) 상에는 유전체 적층막(1)이 형성되어 있지 않고 색 필터(14)가 설치되어 있지 않아, 색 필터(14)를 통하지 않고 적외광 IR을 수광하게 되어 있다. 이 경우, 화소(12IR)에서는, 적외광 IR과 가시광 VL의 혼합 성분을 수광할 수 있게 된다. 이 색 필터(14)가 설치되어 있지 않은 화소(12IR)를 백색 보정 화소(12W) 혹은 전역 통과 화소로 부른다.
이와 같이, 유전체 적층막(1)을 형성하지 않은 화소(12IR)에서, 적외광 IR뿐만 아니라 가시광 VL도 동시에 신호에 기여하도록, 백색 보정 화소(12W)에 대해서 는, 색 필터(14)를 넣지 않는다. 이렇게 함으로써, 실질적으로, 적외광용의 화소(12IR)를, 적외광 IR용 뿐만 아니라, 적외광 IR용과 가시광 VL용을 겸하는 화소로서 기능시킬 수 있다.
한편, 다른 3개의 화소(12B, 12G, 12R) 상에는 유전체 적층막(1)이 형성되며, 다시 그 위에, 원색 필터(14R, 14G, 14B)가 설치되어 있어, 원색 필터(14R, 14G, 14B)를 통하여 가시광 VL 중의 대응하는 청색 B, 녹색 G, 및 적색 R의 3원색을 수광하도록 하고 있다. 즉, 유전체 적층막을 3원색계의 컬러 필터가 있는 화소의 검지부 상에 형성함으로써, 적외광을 효과적으로 컷트할 수 있는 기능을 갖게 하고 있다. 제2 구체예에서 이용하는 원색 필터(14R, 14G, 14B)로서는, 도 64의 (A)에 도시한 제1 구체예와 마찬가지의 것을 이용할 수 있다.
이러한 구조로 제작된 촬상 소자를 이용함으로써, 3원색 성분에 기초하는 가시광 컬러 화상과, 적외광 IR만의 상 또는 적외광 IR과 가시광 VL의 혼합의 상을 동시에 촬상할 수 있다는 것을 알 수 있었다. 단, 가시광 컬러 화상은, 적외광의 누설에 의한 색 재현성의 저하의 우려가 있다. 이 때문에, 다음과 같이 하여 보정을 행한다.
<제2 구체예의 보정 방법; 제1 예>
도 70은, 제2 구체예에서의 적외광 성분의 보정 방법을 설명하는 도면이다. 색 필터(14)가 배치되어 있지 않은 백색 보정 화소(12W)를 설치함으로써, 촬상 소자에 입사해 오는 적외광 IR과 가시광의 합성 성분을 나타내는 신호값 SW로서 화소(12IR)에 의해 측정할 수 있다.
또한, 도 70에서는, 백색 필터의 투과 특성을 가시광대와 적외광대에서 동일한 것으로서 도시하고 있지만, 이것은 필수가 아니라, 가시광대의 투과 강도보다도 적외광대의 투과 강도가 저하하고 있어도 된다. 가시광대의 전체 파장 성분을 충분한 강도로 투과시킬 수 있음과 함께, 적외광대에서는，R, G, B의 원색 필터의 투과 강도에 비하여 충분한 강도로 투과시키는 특성을 갖고 있으면 되는 것이다(후술하는 의사 MLT 필터를 참조).
또한, 그 백색 보정 화소(12W)로부터 얻어지는 적외광 성분에 계수를 곱한 것을 각 3원색 또는 보색의 광의 신호로부터 뺌으로써 가산된 적외 신호(적외 성분의 신호)를 컷트할 수 있다. 이것에 의해 적외광이 있는 상황 하에서도 색 재현이 좋은 화상을 취득할 수 있다.
단, 흑색 보정 화소의 경우와는 달리, 백색 보정 화소(12W)로부터 얻어지는 신호값 SW에는, 적외광 성분 IR뿐만 아니라 가시광 성분 VL도 포함되므로, 가시광 성분 VL의 신호 강도 SVL을 배제한 적외광의 신호 강도 SIR을 개산할 필요가 있다.
구체적으로는, 가시광 컬러 화상을 나타내는 각 원색 신호 성분 SR, SG, SB를, 적외광 화상을 나타내는 적외광 신호 성분 SIR(적외광의 측정 신호 강도)을 사용하여 보정함으로써, 적외광(제2 파장 영역)의 성분의 영향을 배제한, 가시광 성분(제1 파장 영역의 성분)에 관한 가시광 컬러 화상을 재현하기 위한 보정 완료 원색 신호 SR＊，SG＊，SB＊, 즉 본래의 가시광 파장 영역에서의 각 색 신호 성분만의 정확한 색 신호 강도를 취득한다.
여기에서, 제2 구체예의 보정 방법의 제1 예의 보정 연산에 있어서는, 상기 수학식 5의 (5-1)과 같이, 본래의 가시광 파장 영역에서의 각 색 신호 성분에 적외광의 누설 신호 성분이 가해진 원색 신호 성분 SR, SG, SB로부터, 개산된 적외광 신호 성분 SIR에 소정의 계수 αR, αG, αB를 곱한 보정 신호 성분을 감산함으로써, 적외광(제2 파장 영역)의 누설 성분의 영향을 배제한 보정 완료 원색 신호 SR＊，SG＊，SB＊을 취득한다. 물론, 상기 수학식 5의 (5-2)를 적용해도 된다.
여기에서 적외광 신호 성분 SIR은, 도 70으로부터도 알 수 있는 바와 같이, 백색 보정 화소(12W)에서 취득되는 신호값 SW 중, 주로 적외광 성분 IR의 신호 강도를 나타낸다. 따라서, 백색 보정 화소(12W)에서 취득되는 가시광 성분의 신호값 SVL과의 사이에는, 하기 수학식 7이 성립한다. 또한, 여기서의 적외광 성분 IR이란, 도 54에 도시한 색 분리 필터의 분광 감도 곡선으로부터, G 성분의 640㎚ 부근보다 장파장 측의 광을 차단하고자 하는 것 때문에, 주로 640㎚보다 장파장의 광을 가리키는 것으로 한다. 일반적으로는, 적외광의 정의는 눈에 보이지 않는 광을 의미하는 것으로, 780㎚보다 장파장인데, 여기에서는 이와 같이 정의한다.
Figure 112006052171949-PAT00007
한편, 적외광 IR 또는 가시광 VL의 광량은 피사체측과 촬상측에서 비례 관계에 있다. 즉 피사체측에서 증가하면 촬상측에서도 그것에 비례하여 증가한다. 따라서, 도 64와 같은 관계로 된다.
예를 들면, 백색 필터(색 필터(14)가 배치되지 않는 경우도 포함함)를 투과 한 가시광 VL의 광량은 원색 필터(14R, 14G, 14B)에서 투과한 가시광의 광량에 각 계수를 곱한 것의 합과 동일하다고 생각할 수 있으므로, 백색 필터에서 투과한 가시광 성분 VL의 신호 강도 SVL은 원색 필터(14R, 14G, 14B)에서 투과한 가시광 성분의 보정 완료 원색 신호 강도 SR＊，SG＊，SB＊에 각 계수 βR, βG, βB를 곱한 것의 합과 거의 동일하며, 하기 수학식 8과 같이 표현할 수 있다.
Figure 112006052171949-PAT00008
따라서, 백색 필터를 투과하는 적외광 성분의 신호 강도 SIR은, 하기 수학식 9의 (9-1)과 같이 나타낼 수 있다. 또한，수학식 5의 (5-1)을 수학식 9의 (9-1)에 대입하면，수학식 9의 (9-2와) 같이 표현할 수 있다. 이것을 다시 적외광 성분 IR에 대하여 정리하면, 수학식 9의 (9-3)과 같이 표현할 수 있다.
Figure 112006052171949-PAT00009
여기에서, 백색 보정 화소에서 얻어지는 신호 성분 SW, 원색 필터 화소에서 얻어지는 신호 성분 SR, SG, SB에 주목하여, 각각의 계수를 γW, γR, γG, γB로 하면, 계수 γW, γR, γG, γB는 하기 수학식 10의 (10-1∼10-4)와 같이 표현할 수 있고, 이 계수 γW, γR, γG, γB를 사용함으로써, 수학식 9의 (9-3)을 수학식 10의 (10-5)로 재기입할 수 있다.
즉, 백색 보정 화소(12W)로부터 얻어지는 신호값 SW에 포함되는 적외광 성분 IR만의 신호 강도 SIR을, 원색 필터 화소에서 얻어지는 신호 성분 SR, SG, SB를 사용하여 개산할 수 있다.
즉, 화상 신호 처리부(340)는, 제2 검지부로서의 백색 보정 화소(12W)로부터 얻어지는 신호값 SW에 대하여, 원색 필터 화소에서 얻어지는 신호 성분 SR, SG, SB를 사용하여 보정함으로써, 제1 파장 영역의 성분으로서의 가시광 성분(청 성분∼적 성분)을 배제한 제2 파장 영역의 성분으로서의 적외광 성분 IR만의 신호 강도 SIR을 개산할 수 있다.
Figure 112006052171949-PAT00010
또한, 계수 γR, γG, γB의 설정에 있어서는, 계수 αR, αG, αB와 계수 βR, β G, βB와의 관계를 갖는다. 계수 αR, αG, αB에 관해서는, 제1 구체예의 경우와 마찬가지이면 된다. 계수 βR, βG, βB에 관해서는, 백색 필터(색 필터(14)가 배치되지 않는 경우도 포함함)를 투과한 가시광 VL의 광량과, 원색 필터(14R, 14G, 14B)에서로 투과한 가시광의 광량에 각 계수 βR, βG, βB를 곱한 것의 합과의 대응 관계로부터 설정하게 된다. 예를 들면, 각 계수 α, β, γ는, 뉴턴법을 이용하여 오차가 작아지도록 산술 계산으로 구한다.
일반적으로는, 도 70에 도시하는 바와 같이, 원색 필터(14R, 14G, 14B)의 가시광 영역에서의 투과 특성이 대략 마찬가지의 형상을 하고 있는 경우에는, βR:βG:βB=3:6:1로 하면 된다.
이와 같이 하여, 4종류의 색 필터의 각 화소의 출력, 상세하게는 3종류의 원색 필터가 배치된 화소와 백색 필터(14W)를 배치한(사실상 색 필터를 배치하지 않음) 화소의 각 출력을 매트릭스 연산함으로써, 가시광 컬러 화상 및 근적외광 화상을 각각 독립적으로 구할 수 있다. 즉, 포토 다이오드 등의 촬상 소자의 각 화소에, 별개의 파장 통과 특성(필터 특성)을 갖는 4종류의 색 필터를 배치하고, 4종류의 색 필터를 배치한 각 화소의 출력을 매트릭스 연산함으로써, 근적외광의 영향을 거의 전혀 받지 않는 가시광 컬러 화상을 형성하기 위한 3원색 출력과, 적외광과 가시광을 혼재시킨 합성 화상 혹은 백색 보정 화소(12W)로부터 얻어지는 혼재 성분과 가시광 성분과의 합성 처리(상세하게는 차분 처리)에 의해, 가시광의 영향을 거의 전혀 받지 않는 적외광만의 화상을, 각각 독립적으로 또한 동시에 취득할 수 있다.
예를 들면, 적외광 IR과 가시광 VL의 혼합 성분을 수광하는 화소(12IR)로부터의 화소 데이터를 그대로 이용함으로써, 적외광 IR과 가시광 VL의 혼합 성분의 상을 얻을 수 있어, 감도를 높게 할 수 있다. 또한, 적외광 IR과 가시광 VL의 혼합 성분의 상과 함께 가시광 VL의 상이 얻어지는데, 양자의 차분을 취함으로써, 적외광 IR만의 상이 얻어진다.
또한, 동일한 촬상 소자에서, 포토 다이오드 상에 일체적으로 형성된 유전체 적층막(1)의 일부를, 부분적으로 유전체 적층막(1)을 형성하지 않도록 하므로, 부분적으로 유전체 적층막(1)이 형성되어 있지 않은 유전체 적층막(1)을 갖는 별개의 광학 부재를 촬상 소자의 전면에 배치하는 경우와는 달리, 위치 정렬의 문제가 일어나지 않는다.
특히, 가시광 컬러 화상에 관해서는, 적외광의 누설에 의한 색 재현의 불량을 연산 처리로 보정함으로써, 어두운 곳에서 감도가 높고, 또한 색 재현이 양호한 촬상이 가능하게 된다. 적외광에 가까운 적색의 신호 성분이 커지는 현상이나 영상의 붉은 부분에서 휘도가 높아지는 현상을 완화시킬 수도 있어, 특별한 촬상 소자나 기구를 이용하지 않아도, 저코스트로 색 재현성의 향상과 저조도 시의 감도 업의 밸런스를 취할 수 있다.
예를 들면 백색 보정 화소(12W)로부터 얻어지는 신호 SW에는, 적외광 성분뿐만 아니라 가시광 성분도 포함되므로, 이 가시광 성분의 신호 SVL을 사용하여, 가시광 컬러 화상 촬상용의 원색 필터(14R, 14G, 14B)가 배치된 화소에 기초하여 얻어지는 휘도 신호에 보정을 가함(실제로는 가산 연산 처리를 행함)으로써, 색 재현 성과는 독립적으로, 가시광 컬러 화상의 고감도화를 도모할 수도 있다.
도 68과 같이 R, G, B의 원색 필터의 화소 외에 백색 필터의 화소(백색 보정 화소(12W))를 가함으로써 적외광의 신호를 얻지만, 백색 보정 화소(12W)는, 가시광 컬러 화상에 대한 보정이라는 점에서는, 반드시 적외광 화상을 촬상하는 데에 충분한 배치 형태로 할 필요는 없으며, 도 68에 도시하는 배치예에 한하지 않고, 임의의 부분에 배치해도 된다. 예를 들면 소자의 모서리 쪽에 여기저기 넣어도 되고, 또는 화소 배열 전체에 주기적으로 넣어도 된다. 특히, 피사체 표면의 적외광의 반사율이 그 피사체의 부분에 의해 변화되는 경우에는, 화소 배열 전체에 주기적으로 넣음으로써 보정을 적절하게 행할 수 있게 된다.
이와 같이, 백색 보정 화소(12W)와 유전체 적층막(1)을 조합함으로써, 효과적으로 가시광의 화소의 신호에 더해진 적외광의 신호를 제거할 수 있어, 유리제의 적외광 컷트 필터를 사용하지 않아도, 색 재현성이 양호한 가시광 컬러 화상을 취득할 수 있다. 유리제의 적외광 컷트 필터를 사용하지 않으므로, 코스트의 메리트가 있고, 가시광의 투과율도 높아 고감도화가 달성된다.
유전체 적층막(1)을 이용한 경우의 적외광의 누설에 의한 색 재현의 불량에 대해서는, 백색 보정 화소(12W)에 의해 실측한 적외광 성분을 포함하는 신호로부터 적외광 성분을 개산하고, 이 개산한 적외광 성분을 사용하여 연산 처리에 의해 보정하기 때문에, 어두운 곳에서 감도가 높고 또한 색 재현이 좋은 촬상이 가능하게 되며, 또한 보정을 위한 구성이 간단하고(단, 적외광 성분을 개산하는 분만큼 제1 구체예보다는 복잡하게는 됨), 개산한 적외광 성분은 사실상 실측한 적외광 성분으 로 되기 때문에 보정 정밀도가 양호하다.
그런데, 백색 보정 화소(12W)는, 가시광 VL로부터 적외광 IR까지 넓은 파장 영역에서 감도가 있기 때문에, 가시광 컬러 화상 촬상용의 화소(여기서는 원색 필터가 배치된 원색 화소)에 비하여 신호가 포화되기 쉬워, 특히 밝은 환경 하에서의 촬상에서는, 이 포화 현상이 문제로 될 수 있다. 구체적으로는, 밝은 환경 하에서는, 적정한 적외광 화상을 취득할 수 없고, 가시광 컬러 화상에 대한 보정이 부적절하게 될 수 있다.
이 포화의 문제를 해소하기 위해서는, 예를 들면, 밝은 환경 하에서의 촬상에서는, 셔터 기능(메카니즘 셔터에 한하지 않고 전자 셔터를 포함함)을 이용한 노광 제어를 이용하여, 고속으로 촬상하도록 하면 된다. 예를 들면, 촬상 소자에 대하여 짧은 주기로 노광을 행하고, 그 촬상 소자(상세하게는 검지부)로부터 화소 신호를 판독하여, 그것을 촬상 신호 처리부(330)의 전처리부(332)에 보내도 된다.
이 경우, 예를 들면 60프레임/초보다 높은 레이트로 노광과 신호 판독을 행함으로써 포화에 대하여 효과가 높아진다. 혹은 단순히 0.01667초보다 짧은 시간(축적 시간)에 신호 판독을 행할 수 있으면 된다. 이 경우, 예를 들면, 오버플로를 이용하여 기판 측에 전하 신호를 배출함으로써 실효적으로 짧은 시간에서의 전하의 축적을 판독해도 된다.
보다 바람직하게는 240프레임/초보다 높은 레이트로 노광과 신호 판독을 행함으로써 포화에 대한 효과를 더욱 향상시킬 수 있다. 혹은 단순히 4.16밀리초보다 짧은 시간(축적 시간)에 신호 판독을 행할 수 있으면 된다.
또한, 이와 같이 포화하지 않도록 짧은 시간(축적 시간)에 전하를 판독하는 대상 화소는, 백색 보정 화소(12W)만으로 해도 되며, 가시광 컬러 화상 촬상용의 다른 화소(여기서는 원색 필터가 배치된 원색 화소)를 포함하는 전체 화소로 해도 된다.
또한, 더 짧은 노광 시간에 판독한 신호를 2회 이상 적산함으로써, 암부에서의 약한 신호를 강한 신호로 변환하여, S/N비를 높여도 된다. 예를 들면, 이렇게 함으로써, 어두운 환경 하에서 촬상해도, 또한 밝은 환경 하에서 촬상해도 적절한 감도와 높은 S/N비가 얻어져, 다이내믹 레인지가 넓어지게 된다. 즉, 고속으로 촬상함으로써 백색 보정 화소(12W)에서의 포화가 일어나기 어렵게 됨과 함께, 신호를 적산함으로써 넓은 다이내믹 레인지를 취할 수 있게 된다.
또한, 상기 예에서는, 가시광 컬러 화상 촬상용의 색 필터(14)로서, 원색 필터(14R, 14G, 14B)를 이용하고 있었지만, 보색 필터 Cy, Mg, Ye를 이용할 수도 있다. 이 경우 예를 들면, 도 68의 (B)에 도시하는 바와 같이, 원색 필터(14R)를 옐로우 Ye로, 원색 필터(14G)를 마젠타 Mg로, 원색 필터(14B)를 시안 Cy로, 각각 치환한 배치로 하면 된다. 그리고, 대각으로 2개 존재하게 되는 마젠타 Mg의 한쪽에, 보정 화소로서의 백색 필터 W를 배치한다.
백색 필터가 배치되는 화소를 제외한 화소(12Cy ,12Mg ,12Ye) 상에는 유전체 적층막(1)이 형성되며, 다시 그 위에, 보색 필터(14Cy, 14Mg, 14Ye)가 설치되고, 보색 필터(14Cy, 14Mg, 14Ye)를 통하여 가시광 VL 중의 대응하는 시안 Cy, 마젠타 Mg, 및 옐로우 Ye의 각 색을 수광하도록 한다. 즉, 유전체 적층막을 보색계의 컬 러 필터가 있는 화소의 검지부 상에 형성함으로써, 적외광을 효과적으로 컷트할 수 있는 기능을 갖게 한다.
또한，Cy, Mg, Ye의 보색 필터만의 조합에 한하지 않고, 원색 필터의 하나인 녹색 필터 G를 보색 필터와 조합한 것에 대하여도, 보정 화소를 이루는 백색 필터 W의 화소를 설치할 수도 있다. 예를 들면, 도 68의 (C)에 도시하는 바와 같이, Cy, Mg의 2개의 보색 필터와 G의 원색 필터를 조합한 필드 축적 주파수 인터리브 방식용의 것에서, 4화소 내에 2개 존재하는 원색 필터 G 중의 한쪽을 보정 화소로서의 백색 필터 W로 치환하면 된다.
이들 보색 필터를 이용하는 경우의 보정 연산에 있어서는, 수학식 6을 이용할 수 있으며, 그 때의 적외광 성분 SIR은, 수학식 10의 (10-5)로부터 추측되는 바와 같이, 하기 수학식 11과 같이 치환하면 된다. 또한，수학식 11 중에서，Cy, Mg, Ye, G의 각 성분은, 실제로 사용하는 색 필터에 따라서 적용되며, 반드시 전체 색의 성분이 필요하게 된다는 것은 아니며, 예를 들면, 도 68의 (B)에 도시하는 색 필터 배치이면 G 성분을 제로로, 또한 도 68의 (C)에 도시하는 색 필터 배치이면 Mg 성분을 제로로 한다.
Figure 112006052171949-PAT00011
<제2 구체예의 보정 방법; 제2예>
이상과 같이, 백색 보정 화소(12W)를 이용한 경우의 보정 방법으로서, 선형 항만으로 이루어지는 상기 수학식 5의 (5-1)에 따른 제1 예의 보정 연산에 대하여 설명했지만, 비선형항을 가한 보정 연산으로 함으로써, 더욱 색차를 작게 할 수도 있다. 비선형항을 고려하는 점에서는 상기 수학식 5의 (5-2)와 공통되지만, 적요의 개념이 서로 다르다. 이 점에 대하여, 이하 상세하게 설명한다.
제2 구체예의 보정 방법의 제2 예의 보정 연산에 있어서는, 하기 수학식 12의 (12-1)에 표현하는 바와 같이, 상기 수학식 5의 (5-1)에서 얻어지는 성분에 대하여, 원색 신호 성분 S(SR, SG, SB)로부터 계수 ηR, ηG, ηB를 뺀 성분과 적외광 신호 성분 SIR과의 곱에 계수 ωR, ωG, ωB를 곱한 2차의 신호 성분(S×IR)을 포함하는 비선형의 보정 신호 성분을 가산하면 된다. 또한, 각 색 성분끼리의 계수 곱 ωR×ηR, ωG×ηG, ωB×ηB가 충분히 작으면, 이 계수 곱의 성분을 무시하여, 하기 수학식 12의 (12-2)를 적용할 수도 있다. 또한, 적외광 신호 성분 SIR은, 상기 수학식 10의 (10-5)에 표현하는 것과 동일하다.
Figure 112006052171949-PAT00012
비선형항을 이용하여 보정을 가하는 점에서는, 상기 수학식 5의 (5-2)와 유사하지만, 수학식 5의 (5-2)는, 적외광 컷트 필터를 설치하지 않는 경우에 가시광 컬러 화상용의 3원색 신호 성분이 커지는 만큼을 보정하여 동등한 신호 레벨로 하는 것을 목적으로 하고 있었지만, 수학식 12의 (12-1)이나 (12-2)는, 색차가 작아지도록, 정밀도 좋게 올바른 색 정보를 얻는 것을 목적으로 하고 있는 점에서 서로 다르다.
수학식 12는, 원색 필터(14R, 14G, 14B)를 이용한 경우의 적요예이지만, 마찬가지의 것은, 보색 필터 Cy, Mg, Ye를 이용하는 경우나, 또 녹색 필터 G나 백색 필터 W를 보색 필터와 조합한 것에 대해서도 적용할 수 있다.
이들 보색 필터를 이용하는 경우의 보정 연산에 있어서는, 상기 수학식 12 대신에, 일례로서, 하기 수학식 13을 적용하면 된다. 이 점은, 상기 수학식 5에 대하여 상기 수학식 6을 적용한 것과 마찬가지의 개념이다.
Figure 112006052171949-PAT00013
<제2 구체예의 보정 방법; 제3 예>
도 71 및 도 72는, 제2 구체예의 제3 예의 보정 방법을 설명하는 도면이다. 수학식 12나 수학식 13에서는, 색차가 작아지도록, 적외광 성분 IR과 본래의 신호 성분 S와의 곱(S×IR)에 소정의 계수를 곱한 2차의 신호 성분을 포함하는 비선형의 보정 신호 성분을 가산하고 있었지만, 색 신호 S와 계수 η의 차(S-η)의 2차 이상의 고차식의 보정 성분을 이용할 수도 있다.
예를 들면, 하기 수학식 14의 (14-1)에 표현하는 바와 같이, 상기 수학식 5의 (5-1)에서 얻어지는 성분에 대하여, 원색 신호 성분 SR, SG, SB로부터 계수 ηR, ηG, ηB를 뺀 성분의 제곱과 적외광 신호 성분 SIR과의 곱에 계수 ωR, ωG, ωB를 곱한 전체로서 3차의 신호 성분(S^2×IR)을 포함하는 비선형의 보정 신호 성분을 가산할 수도 있다.
또한, 비선형의 보정 신호 성분을 가산할 수 있으면 되고, 차(S-η)와 적외광 성분 SIR과의 곱의 다차식에 한하지 않고, 하기 수학식 14의 (14-2)에 표현하는 바와 같은 절대값식, 혹은 하기 수학식 14의 (14-3)에 표현하는 바와 같은 1차식을 이용한 조건식을 적외광 성분 SIR에 곱하여 비선형의 신호 성분을 얻는 보정식을 적용할 수도 있다.
Figure 112006052171949-PAT00014
예를 들면, 청색(B) 성분에 대하여, 수학식 5의 (5-1)이나 수학식 6의 (6-1)로 표현되는 선형식을 이용한 보정 연산 후의 색 성분의 휘도값과, 그 색 성분의 진짜의 값(IR 컷트 필터를 이용했을 때의 B 성분의 휘도값)의 차분을 종축에, 또한 보정 연산 후의 휘도값을 횡축에 취하여 플롯한 그래프를 도 71에 도시한다. 이 그래프의 경우, 차분은 보정 후의 휘도값에 대하여 위로 볼록한 의존성을 나타내며, 그 특성을 나타내는 선분으로서, 특성예 1과 같이 2차식과 유사한 형태나, 특성예 2와 같이 값 ηB보다 클 때와 작은 경우에서 의존성이 변하는 형태를 얻을 수 있다.
따라서, 전술한 의존성에, 또 도 72에 도시하는 바와 같이, 아래로 볼록한 의존성의 것을 더하면, 차분을 일정하게 할 수 있다. 이 대로로는, 일정한 차분을 가진 그대로 되므로 색 재현성이 문제로 되지만, 더욱 화이트 밸런스를 취함으로써, 전체의 차분이 없어지도록 할 수 있다. 이와 같이, 차분의 변화점(계수 η에 상당)에 대하여, 그것에 적합한 수학식의 연산을 행함으로써, 보정 연산의 오차를 작게 할 수 있다.
아래로 볼록한 의존성을 나타내는 식으로서는, 상기 수학식 14의 (14-1)에 표현한 바와 같은 차(S-η)의 2차식 혹은 일반적인 비선형식이 이것에 적합하지만, 반드시 다차식이라고는 단정할 수 없는 것이다. 예를 들면, 수학식 14의 (14-2)나 (14-3)과 같이, 값 ηB보다 클 때와 작은 경우에서 의존성이 변하는 수학식에서도, 동일한 효과가 얻어지는 것이다.
<색 분리 필터 배열; 제3 예>
도 73 및 도 74는, 보정 연산에 의해 가시광 컬러 화상과 적외광 화상을 각각 독립적으로 구하는 것을 항상 가능하게 하는 색 분리 필터의 배치예의 구체예의 제3 예(이하 제3 구체예라고 함)를 도시하는 도면이다. 이 제3 구체예는, 가시광 컬러 화상에 대한 보정용의 검지 영역으로서, 적외광과 함께 가시광 내의 임의의 특정한 파장 성분을 수광·검지하는 검지 영역을 형성하는 점에 특징을 갖는다.
일례로서, 도 69에 도시하는 제2 구체예의 구성에서의 백색 보정 화소(12W)를, 녹색 필터(14GIR)가 배치된 화소로 치환한다. 이 경우, 화소(12IR)에서는, 적외광 IR과 가시광 VL 중의 녹색과의 혼합 성분을 수광할 수 있게 된다. 이 녹색 필터(14GIR)가 배치된 화소(12IR)를 녹색 보정 화소(12GIR)로 부른다. 가시광을 검지하는 녹색 필터(14G)가 배치된 화소(12G)에서는 적외광 영역에 대하여 감도를 가질 필요는 없지만, 녹색 보정 화소(12GIR)에서는 적외광 영역에 대하여 감도를 갖도록 하는 것이 필요하게 되는 점에 유의한다.
이 경우, 원색 필터 R, G, B를 통과시켜 대응하는 검지부에서 검지함으로써 가시광 컬러 화상을 촬상할 수 있음과 함께, 보정용의 녹색 필터 G를 통하여 대응하는 검지부에서 검지함으로써 적외광 화상, 혹은 적외광과 녹색광의 혼재 화상을 가시광 컬러 화상과는 독립적으로 또한 동시에 촬상할 수 있다.
예를 들면, 적외광 IR과 녹색광의 혼합 성분을 수광하는 화소(12IR)로부터의 화소 데이터를 그대로 이용함으로써, 적외광 IR과 녹색광의 혼합 성분의 상을 얻을 수 있어, 감도를 높게 할 수 있다. 또한, 적외광 IR과 녹색광의 혼합 성분의 상과 함께 가시광 VL의 상이 얻어지는데, 가시광 VL의 상에서의 녹색 성분과의 차분을 취함으로써, 적외광 IR만의 상이 얻어진다. 또한, 이 보정용의 녹색 필터 G를 배치한 화소로부터 얻어지는 혼재 화상 신호는, 원색 필터 R, G, B를 배치한 화소로부터 얻어지는 가시광 컬러 화상에 대한 보정 신호로서도 이용한다.
보정 연산 처리에 있어서는, 제1이나 제2 구체예와 마찬가지로，수학식 5의 (5-1)이나 수학식 6을 그대로 적용할 수 있다. 또한, 신호 SGIR로부터 적외광 성분의 신호 SIR을 개산할 때에는, 제2 구체예에서의 신호 SW를 녹색 보정 화소(12GIR)로부터 얻어지는 신호 SGIR로 치환하고, 가시광 성분의 신호 SVL은 녹색 성분에 대해서만 이용하도록 하면 되고, 수학식 10의 (10-5)를 수학식 15와 같이 치환하면 된다.
Figure 112006052171949-PAT00015
또한, 녹색 보정 화소(12GIR)로부터 얻어지는 신호 SGIR에는, 적외광 성분뿐만 아니라 녹색 광 성분도 포함되므로, 이 녹색 광 성분을 사용하여 가시광 컬러 화상 촬상용의 원색 필터(14R, 14G, 14B)가 배치된 화소로부터 얻어지는 신호에 보정을 가함(실제로는 가산 연산 처리를 행함)으로써, 가시광 컬러 화상의 고감도화나 고해상도화를 도모할 수도 있다.
이 점은, 제2 구체예에서 백색 보정 화소(12W)를 이용하는 경우도 마찬가지이며, 백색 보정 화소(12W)에서 검지되는 가시광 성분(R, G, B)을 사용하여 가시광 컬러 화상 촬상용의 원색 필터(14R, 14G, 14B)가 배치된 화소로부터 얻어지는 신호에 보정을 가함(실제로는 가산 연산 처리를 행함)으로써, 가시광 컬러 화상의 고감도화나 고해상도화를 도모할 수도 있다.
또한, 제3 구체예에서는, 가시광 컬러 화상 촬상용의 색 필터(14)로서, 원색 필터(14R, 14G, 14B)를 이용하고 있었지만, 보색 필터 Cy, Mg, Ye나 원색 필터 G와의 조합을 이용할 수도 있다.
또한, 제2 구체예나 제3 구체예의 구성에서도, 원리적으로는, 백색 보정 화소(12W)나 녹색 보정 화소(12GIR)를 설치하도록 함으로써, 제1 구체예에서의 변형예와 마찬가지로, 회절 격자(501)를 이용한 분광 이미지 센서(511)나 반도체의 깊 이 방향에서의 파장에 따른 흡수 계수의 차이를 이용한 고체 촬상 소자(611)에도 적용할 수 있다.
단, 각각의 센서 구조의 특징으로부터 알 수 있는 바와 같이, 가시광 컬러 화상을 취득하기 위한 검지 영역과 적외광 화상을 취득하기 위한 검지 영역이, 반도체의 면 방향 혹은 깊이 방향으로 분리되어, 가시광 컬러 화상을 취득하기 위한 색 필터(14)를 설치함으로써, 자동적으로, 적외광 화상 검지 영역에서 적외광 성분도 취득할 수 있는 구조이므로, 적극적으로, 보정용의 백색 필터나 녹색 필터를 배치한 화소를 설치하는 것은 득책이 아니다.
또한, 제1∼제3 구체예 중 어느 것에서도, 보정용의 색 필터를 배치하는 화소를 적외광을 검지하는 화소로서 사용할 수 있으므로, 적외광에 의한 광 통신이나 거리 측정 등 고기능화를 달성할 수 있으며, 가시광과 함께 적외광도 동시에 검출해서 이미지화할 수 있다. 이것에 의해, 동일한 이미지 센서로, 눈으로 볼 수 있는 가시광의 이미지상, 특히 색조가 정확한(색 재현성이 양호한) 컬러 화상과 대응하여, 눈으로 볼 수 없는 적외광의 상 정보를 동시에 받을 수 있다. 이것에 의해 암시 카메라 등의 새로운 정보 시스템의 키 디바이스로서 응용이 확대된다.
예를 들면, 적외선의 발광점을 미리 준비해서 그것을 추적함으로써, 가시광 컬러 화상의 상 중에 있는 적외광의 발광점의 위치를 검출할 수 있다. 또한, 가시광이 없는, 예를 들면 야간에 있어서도 적외광을 조사해서 촬상함으로써 선명한 적외광 화상을 얻을 수 있으므로, 방범용의 이미지 센서로서의 응용도 가능하다.
<색 분리 필터의 다른 배치예>
도 75∼도 81은, 유전체 적층막(1)을 이용한 분광 이미지 센서(11)에, 가시광 컬러 화상에 대한 보정용의 화소를 설치하는 경우에서의 해상도 저하를 고려한 화소 배열을 설명하는 도면이다.
화소 배열에 관해서 말하면, 도 61이나 도 68과 같은 배열 구조를 적용한 경우, 단순하게 종래의 RGB 원색 필터나 CyMgYe 보색 필터(혹은 원색 필터 G)의 가시광의 화소에 적외광(또는 적외광과 가시광의 혼합) 검지용의 화소를 추가하게 된다.
예를 들면, 본래, 가시광 컬러 화상 촬상용의 녹색 화소 G나 마젠타색 화소 Mg가, 흑색 보정 화소나 백색 보정 화소나 녹색 보정 화소 혹은 마젠타색 보정 화소로 치환되게 되어, 가시광 컬러 화상 및 적외광 화상의 어느 것에 대해서도, 해상도 저하를 초래할 가능성이 있다. 예를 들면, 종래의 RGB 베이어 배열의 G의 1개의 화소를 적외 화소로 치환하면, 해상도가 저하한다. 그러나, 보정 화소와 해상도에 크게 기여하는 파장 성분의 화소(예를 들면 녹색 화소 G)의 배치 양태를 연구함으로써, 이 해상도 저하의 문제를 해소할 수 있다.
이 때 중요한 것은, 종래와 마찬가지로, 각 색의 필터를 모자이크 형상으로 배치한 색 분리 필터 구조를 채용하는 경우, 적외광(또는 적외광과 가시광의 혼재)의 화소가 임의의 일정한 격자 간격을 갖고 모자이크 모양으로 되도록 함과 함께, 가시광의 원색계 RGB 또는 보색계 CyMgYe 화소 중의 1개의 화소가 임의의 일정한 격자 간격을 갖고 모자이크 모양으로 되도록 배치하는 것이다.
여기에서, 「모자이크 모양으로 되도록 한다」라는 것은, 어떤 색 화소에 주 목했을 때, 그들이 임의의 일정한 격자 간격을 갖고 격자 형상으로 배열되도록 하는 것을 의미한다. 반드시, 그 색 화소가 인접하는 것을 필수로는 하지 않는다. 또한, 색 화소가 인접하는 배치 양태를 채용한 경우의 전형예로서는, 적외광의 화소와 그 밖의 색 화소의 정방형을 번갈아 배열한 바둑판눈 모양(체크 모양)으로 되도록 하는 배치 양태가 있다. 혹은, 가시광의 원색계 RGB 또는 보색계 CyMgYe 화소 중의 1개의 화소와 그 밖의 색 화소의 정방형을 번갈아 배열한 바둑판눈 모양(체크 모양)으로 되도록 하는 배치 양태가 있다.
<원색 필터에의 적용예>
예를 들면, RGB 원색 필터를 이용하면서 가시광 컬러 화상의 해상도 저하를 억제하기 위해서는, 가시광 영역의 G의 화소의 배치 밀도를 유지하고, 가시광 영역의 남은 R 혹은 B의 화소를, 보정용의 흑 화소나 백 화소나 녹색 화소로 치환하면 된다. 예를 들면 도 75에 도시하는 바와 같이, 2행 2열의 단위 화소 매트릭스(12) 내에서 우선, 홀수행 홀수열 및 짝수행 짝수열로 가시광 영역의 녹색 성분을 감지하기 위한 컬러 화소 G를 배치하고, 짝수행 홀수열에는 보정용의 흑 화소(도 75의 (A))나 백 화소(도 75의 (B))나 녹색 화소(도시 생략)를 배치한다.
또한, 단위 화소 매트릭스(12)의 열 방향의 홀수번째에서는, 행 방향의 홀수번째의 단위 화소 매트릭스(12)에서의 홀수행 짝수열에 가시광 영역의 청색 성분을 감지하기 위한 컬러 화소 B를 배치하고, 행 방향의 짝수번째의 단위 화소 매트릭스(12)에서의 홀수행 짝수열에 가시광 영역의 적색 성분을 감지하기 위한 컬러 화소 R을 배치한다. 단위 화소 매트릭스(12)의 열 방향의 짝수번째에서는, 컬러 화 소 B와 컬러 화소 R의 배치를 반대로 한다. 전체로서는, 색 필터(14)의 반복 사이클은, 2×2의 단위 화소 매트릭스(12)로 완결되게 된다.
이 도 75에 도시하는 바와 같은 배치 형태의 경우, 가시광의 원색계 RGB 화소 중의 1개의 화소 G와 그 밖의 색 화소의 정방형을 번갈아 배열한 체크 모양의 배치 양태를 채용하고 있어, 가시광 컬러 화상에서의 해상도에 크게 기여하는 컬러 화소 G의 배치 밀도를 베이어 배열과 동일하게 할 수 있으므로, 가시광 컬러 화상의 해상도의 저하는 없어진다.
단, 컬러 화소 R과 컬러 화소 B의 배치 밀도는 베이어 배열에 대하여 1/2로 되기 때문에 컬러 분해능이 저하한다. 그러나, 색에 관한 인간의 시감도는, 녹 G 에 비하여 적 B나 청 B는 떨어지므로, 큰 문제로는 되지 않는다고 생각해도 된다. 한편, 보정 화소를 이용한 적외광 화상에 관해서는, 보정 화소의 배치 밀도가, 가시광 영역의 녹색 성분을 감지하기 위한 컬러 화소 G에 대하여 1/2로 되기 때문에, 분해능은 가시광 컬러 화상보다도 떨어진다.
예를 들면, 도 76에 도시하는 바와 같은 투과 스펙트럼 특성을 나타내는 흑색 필터(14BK)를 이용하여, 도 75의 (A)에 도시하는 바와 같은 배치 양태로 흑색 보정 화소를 배치한, 도 52에 도시되는 층 구조(가시광을 수광하는 화소에 대응하는 단면 구조도는 도 33)의 CMOS 고체 촬상 소자(화소 회로 구성은 도 4)를 도 31의 제작 프로세스 공정과 같이 하여 제조해서 실험을 해 본 결과, 3원색의 가시광의 고해상도 컬러 화상과, 컬러 화상보다는 저해상도이기는 하지만 비교적 고해상도의 적외광의 상을 동시에 촬상할 수 있는 것을 알 수 있었다.
도 76으로부터 알 수 있는 바와 같이, 적외광측에서 투과 특성을 나타내고 있다. 그래서, 흑색 보정 화소로부터 얻어지는 적외광 성분을 나타내는 신호를 사용하여, 3원색의 가시광 화소에 혼입된 적외광 성분을 상기 수학식 (5-1)과 같이 하여 보정함으로써, 적외광 성분에 의한 색 재현성의 문제도 발생하지 않았다. 이러한 보정을 함으로써 적외광이 있는 환경 하에서 촬상해도 색 재현이 좋고, 고감도인 것이 확인되었다.
또한, 도 75의 (B)에 도시하는 바와 같은 배치 양태로 백색 보정 화소를 배치한, 도 52에 도시되는 층 구조(가시광을 수광하는 화소에 대응하는 단면 구조도는 도 33)의 CMOS 고체 촬상 소자(화소 회로 구성은 도 4)를 도 31의 제작 프로세스 공정과 같이 하여 제조해서 실험을 해 본 결과, 3원색의 가시광의 고해상도 컬러 화상과, 컬러 화상보다는 저해상도이기는 하지만 비교적 고해상도의 적외광과 가시광이 혼재된 화상을 동시에 촬상할 수 있으며, 또 3원색의 가시광 화소 R, G, B에서 검지되는 청, 적, 녹의 강도를 감함으로써, 적외광만의 화상을 동시에 촬상할 수 있는 것을 알 수 있었다.
또한, 상기 수학식 10의 (10-5)와 같이 해서, 백색 보정 화소로부터 얻어지는 가시광 성분과 적외광 성분의 혼합 성분으로부터 적외광 성분을 나타내는 신호를 추출하고(개산하고), 이 추출한 적외광 성분을 나타내는 신호를 사용하여, 3원색의 가시광 화소에 혼입된 적외광 성분을 상기 수학식 5의 (5-1)과 같이 해서 보정함으로써, 적외광 성분에 의한 색 재현성의 문제도 발생하지 않았다. 이러한 보정을 함으로써 적외광이 있는 환경 하에서 촬상해도 색 재현이 좋고, 고감도인 것 이 확인되었다.
또한, 백색 보정 화소로부터 얻어지는 가시광 성분을 사용하여, 3원색의 가시광 화소에 기초하여 얻어지는 휘도 신호에 보정을 가함으로써, 색 재현성과는 독립적으로, 가시광 컬러 화상의 고감도화를 도모할 수 있는 것도 확인되었다.
또한, 포화되지 않도록, 모든 화소를 짧은 시간에 노광하여 전하 신호를 판독하고, 또한 짧은 시간에 판독한 신호를 2회 이상 적산함으로써, 큰 신호로 변환할 수 있어, 어두운 환경 하에서 촬상해도, 또한 밝은 환경 하에서 촬상해도, 적절한 감도가 얻어지고, 다이내믹 레인지가 넓어지는 것을 확인하였다.
또한, 도 75의 (A)에 도시하는 바와 같은 흑색 보정 화소와 다층막을 조합한 구조나 도 75의 (B)에 도시하는 바와 같은 백색 보정 화소와 다층막을 조합한 구조는, CMOS 고체 촬상 소자뿐만 아니라, 도 63에 도시되는 바와 같은 CCD 구조로 제작해도 마찬가지의 효과가 확인되었다.
또한, 적외광 화상의 해상도 저하를 억제하기 위해서는, 예를 들면 도 77에 도시하는 바와 같이, 도 75에 도시하는 가시광 영역의 녹색 성분을 감지하기 위한 컬러 화소 G와, 보정용의 흑 화소(도 77a)나 백 화소(도 77b)나 녹색 화소(도시 생략)의 배치를 교체하면 된다. 이 경우, 보정 화소로서의 적외광의 화소와 그 밖의 색 화소의 정방형을 번갈아 배열한 체크 모양의 배치 양태를 채용하고 있어, 보정 화소의 배치 밀도를 베이어 배열의 경우와 동일하게 할 수 있으므로, 적외광 화상의 해상도의 저하는 없어진다. 단, 가시광 컬러 화상에서의 해상도에 크게 기여하는 컬러 화소 G의 배치 밀도는, 보정 화소에 대하여 1/2로 되기 때문에, 가시광 컬 러 화상은, 적외광 화상의 분해능보다도 떨어진다. 컬러 분해능에 관해서는, 도 75의 경우와 마찬가지이다.
예를 들면, 도 76에 도시하는 바와 같은 투과 스펙트럼 특성을 나타내는 흑색 필터(14BK)를 이용하여, 도 77의 (A)에 도시하는 바와 같은 배치 양태로 흑색 보정 화소를 배치한 CCD 고체 촬상 소자(화소 회로 구성은 도 3, 가시광을 수광하는 화소에 대응하는 단면 구조도는 도 63)를 제조해서 실험을 해 본 결과, 고해상도의 적외광 화상과, 적외광 화상보다는 저해상도이기는 하지만 비교적 고해상도의 가시광 컬러 화상을 동시에 촬상할 수 있는 것을 알 수 있었다.
도 76으로부터 알 수 있는 바와 같이, 적외광측에서 투과 특성을 나타내고 있다. 그래서, 흑색 보정 화소로부터 얻어지는 적외광 성분을 나타내는 신호를 사용하여, 3원색의 가시광 화소에 혼입된 적외광 성분을 상기 수학식 5의 (5-1)과 같이 해서 보정함으로써, 적외광 성분에 의한 색 재현성의 문제도 발생하지 않았다. 이러한 보정을 함으로써 적외광이 있는 환경 하에서 촬상해도 색 재현이 좋고, 고감도인 것이 확인되었다.
또한, 도 75의 (B)에 도시하는 바와 같은 배치 양태로 백색 보정 화소를 배치한 CCD 고체 촬상 소자(화소 회로 구성은 도 3, 가시광을 수광하는 화소에 대응하는 단면 구조도는 도 63)를 제조해서 실험을 해 본 결과, 고해상도의 적외광과 가시광이 혼재된 화상을 동시에 촬상할 수 있고, 또한 3원색의 가시광 화소 R, G, B에서 검지되는 청, 적, 녹의 강도를 감함으로써 고해상도의 적외광만의 화상을 촬상할 수 있으며, 동시에, 적외광 화상보다는 저해상도이기는 하지만 비교적 고해상 도의 가시광 컬러 화상을 촬상할 수 있는 것을 알 수 있었다.
또한, 상기 수학식 10의 (10-5)와 같이 해서, 백색 보정 화소로부터 얻어지는 가시광 성분과 적외광 성분의 혼합 성분으로부터 적외광 성분을 나타내는 신호를 추출하고(개산하고), 이 추출한 적외광 성분을 나타내는 신호를 사용하여, 3원색의 가시광 화소에 혼입된 적외광 성분을 상기 수학식 5의 (5-1)과 같이 해서 보정함으로써, 적외광 성분에 의한 색 재현성의 문제도 발생하지 않았다. 이러한 보정을 함으로써 적외광이 있는 환경 하에서 촬상해도 색 재현이 좋고, 고감도인 것이 확인되었다.
또한, 백색 보정 화소로부터 얻어지는 가시광 성분을 사용하여, 3원색의 가시광 화소에 기초하여 얻어지는 휘도 신호에 보정을 가함으로써, 색 재현성과는 독립적으로, 가시광 컬러 화상의 고감도화를 도모할 수 있는 것도 확인되었다.
또한, 포화되지 않도록, 백 화소만을 오버플로를 이용하여 짧은 시간에 전하를 판독하고, 또한 짧은 시간에 판독한 신호를 2회 이상 적산함으로써, 큰 신호로 변환할 수 있어, 어두운 환경 하에서 촬상해도, 또한 밝은 환경 하에서 촬상해도, 적절한 감도가 얻어지고, 다이내믹 레인지가 넓어지는 것을 확인하였다.
또한, 도 77의 (A)에 도시하는 바와 같은 흑색 보정 화소와 다층막을 조합한 구조나 도 77의 (B)에 도시하는 바와 같은 백색 보정 화소와 다층막을 조합한 구조는, CCD 고체 촬상 소자뿐만 아니라, CMOS 고체 촬상 소자 구조로 제작해도 마찬가지의 효과가 확인되었다.
도 78은, 가시광 컬러 화상에 대한 보정용의 화소를 설치하는 경우에서의 다 른 화소 배열을 설명하는 도면이다. 이 변형 양태는, 보정용의 화소에 배치하는 색 필터의 색을 복수 조합하는 점에 특징을 갖는다. 예를 들면, 도 78에 도시하는 예에서는, 제1 구체예와 제2 구체예를 조합하고 있으며, 보정용의 화소로서 흑색 필터(14BK)와 백색 필터(14W)를 단위 화소 매트릭스(12)에 대하여 교대로 배치하고 있다. 여기에서, 도 78의 (A)는 도 61과 도 68의 조합, 도 78의 (B)는 도 75의 (A), (B)의 조합, 도 78의 (C)는 도 77의 (A), (B)의 조합이다.
이러한 조합의 배치 양태로 함으로써, 예를 들면 백색 보정 화소(12W)는 주로 고감도화를 위해 사용하고, 흑색 보정 화소(12BK)는 색 보정을 위해 사용할 수 있다. 물론, 백색 보정 화소(12W)를 색 보정을 위해 사용할 수도 있다.
<보색 필터에의 적용예>
또한，CyMgYe 보색 필터를 이용하면서 가시광 컬러 화상의 해상도 저하를 억제하기 위해서는, 가시광 영역의 Mg의 화소의 배치 밀도를 유지하고, 가시광 영역의 남은 R 혹은 B의 화소를, 보정용의 흑 화소나 백 화소나 녹색 화소로 치환하면 된다. 예를 들면 도 79에 도시하는 바와 같이, 2행 2열의 단위 화소 매트릭스(12) 내에서, 우선, 홀수행 홀수열 및 짝수행 짝수열에 가시광 영역의 마젠타 색 성분을 감지하기 위한 컬러 화소 Mg를 배치하고, 짝수행 홀수열에는 보정용의 흑 화소(도 79a)나 백 화소(도 79b)나 마젠타색 화소(도시 생략)를 배치한다. 또한, 마젠타색 Mg 중의 한쪽을 녹색 G로 치환할 수도 있다.
이 경우, 가시광의 보색계 CyMgYe 화소 중의 1개의 화소 Mg와 그 밖의 색 화소의 정방형을 번갈아 배열한 체크 모양의 배치 양태를 채용하고 있어, 가시광 컬 러 화상에서의 해상도에 크게 기여하는 컬러 화소 Mg의 배치 밀도를 베이어 배열과 동일하게 할 수 있으므로, 가시광 컬러 화상의 해상도의 저하는 없어진다.
또한, 컬러 화소 Cy와 컬러 화소 Ye의 배치 밀도는 컬러 화소 Mg의 배열에 대하여 1/2로 되기 때문에 컬러 분해능이 저하하지만, 색에 관한 인간의 시감도는 낮아 큰 문제로는 되지 않는다고 생각해도 된다. 또한, 보정 화소를 이용한 적외광 화상에 관해서는, 보정 화소(적외광 화소)의 배치 밀도가, 가시광 영역의 마젠타색 성분을 감지하기 위한 컬러 화소 Mg에 대하여 1/2로 되기 때문에, 분해능은 가시광 컬러 화상보다도 떨어진다.
또한, 적외광 화상의 해상도 저하를 억제하기 위해서는, 예를 들면 도 80에 도시하는 바와 같이, 가시광 영역의 마젠타색 성분을 감지하기 위한 컬러 화소 Mg와, 보정용의 흑 화소(도 80의 (A))나 백 화소(도 80의 (A))나 마젠타색 화소(도시 생략)의 배치를 교체하면 된다. 이 경우, 보정 화소로서의 적외광의 화소와 그 밖의 색 화소의 정방형을 번갈아 배열한 체크 모양의 배치 양태를 채용하고 있어, 보정 화소의 배치 밀도를 베이어 배열의 경우와 동일하게 할 수 있으므로, 적외광 화상의 해상도의 저하는 없어진다. 단, 가시광 컬러 화상에서의 해상도에 크게 기여하는 컬러 화소 Mg의 배치 밀도는, 보정 화소에 대하여 1/2로 되기 때문에, 가시광 컬러 화상은, 적외광 화상의 분해능보다도 떨어진다. 컬러 분해능에 관해서는, 도 79의 경우와 마찬가지이다.
또한, 해상도 저하를 억제하기 위한 상기한 배치 양태 예에서는, 녹색 G 또는 마젠타색 Mg의 화소를 가능한 한 고밀도로 모자이크 모양(정형예로서의 체크 모 양)으로 되도록 배치하고 있었지만, 그 밖의 색(R, B 또는 Cy, Ye)의 화소를 체크 모양으로 되도록 배치해도, 거의 마찬가지의 효과를 얻을 수 있다. 물론, 해상도나 색 분해능을 높이는 데에 있어서는，시감도가 높은 색 성분의 필터를 가능한 한 고밀도로 모자이크 모양으로 되도록 배치하는 것이 바람직하다.
<경사 배치에의 적용예>
또한, 상기 예에서는, 정방 격자 형상으로 색 필터를 배치하는 사례를 설명했지만, 경사 격자 형상으로 배열할 수도 있다. 예를 들면, 도 81의 (A)에 도시하는 배치 양태는, 도 75의 (B)에 도시하는 배치 양태를, 우측 방향으로 대략 45도만큼 회전시킨 상태의 화소 배열로 되어 있다. 또 도 81의 (B)에 도시하는 배치 양태는, 도 77의 (B)에 도시하는 배치 양태를, 우측 방향으로 대략 45도만큼 회전시킨 상태의 화소 배열로 되어 있다. 이와 같이, 경사 격자 형상으로 배열하면, 수직 방향과 수평 방향의 각 화소 밀도가 증가하게 되어, 그 방향에서의 해상도를 더욱 높게 할 수 있는 것이다.
<<실험예; 흑색 보정 화소>>
도 82∼도 93은, 흑색 보정 화소를 이용하여, 가시광 컬러 화상의 색 재현성을 보정하는 구조의 실험예를 설명하는 도면이다.
우선, 도 82는, 흑색 보정 화소를 적용하는 경우에 실험에서 이용한 흑백 카메라의 개요를 도시하는 도면이다. 이 실험예에서는, 소니(주)의 흑백 카메라 XCL-X700을 베이스로, 색 필터를 추가함으로써 실험을 행하였다. 흑백 카메라 XCL-X700(이하 실험용 카메라라고도 함)의 기본적인 성능은, 예를 들면, 1/2인치 형, 전체 화소 판독(프로그레시브)의 것으로, 유효 화소수 1034×779, 촬상 화소수 1024×768, 화소 사이즈 6.25um으로 되어 있다.
도 83은, 실험용 카메라와 색 필터의 분광 감도 특성도이다. 도면 중의 전체 파장 화소는, 흑백용의 실험용 카메라의 특성 그 자체이다. 또한，R, G, B의 각 화소는, 실험용 카메라에 R, G, B의 각색 필터를 배치한 경우의 것으로서, 가중의 보정을 가한 결과를 나타내고 있다.
도 84는, G색 및 적외광 컷트 필터와 보정 화소에 이용하는 흑색 필터의 각 투과 스펙트럼도이다. 적외광 컷트 필터의 이상적인 투과 특성은, 가시광 영역(파장 700㎚ 미만)에서는 “1”, 적외광 영역(파장 700㎚ 이상)에서는 “0”이지만, 도시하는 바와 같이, 가시광 영역에서는 약간의 로스가 있고, 적외광 영역에서도 약간의 투과가 있다.
이 때문에, G색의 투과 스펙트럼은, 적외광 컷트 필터의 유무에 따라, 투과율이 약간 서로 다르다(당연히 적외광 컷트 필터 없음 쪽이 투과율이 높다). 또한, 적외광 컷트 필터 없음의 경우, 적외광 영역에서 약간의 투과, 즉 적외광의 누설 성분(IR 누설광)이 존재한다. 적외광의 누설 성분은, 흑색 필터를 사용함으로써, 가시광 성분과 분리하여 취득할 수 있게 된다.
도 85는, 측색의 지표로서 사용하는 맥베스 차트에서의 색표 번호(1사이클; 24색분)의 대응을 도시하는 도면이다. 또한 도 86은, 실험용 카메라와 녹색 필터 G를 이용하여 맥베스 차트를 촬상하여 얻은 미처리의 화상 데이터에 기초하는 화상(로우 데이터 화상)을 도시하는 도면이다. 촬상 조건으로서는, 광원으로서 20W 백열 전구와 형광등을 이용하고, 실험용 카메라의 렌즈 F2.8에 대하여 조리개를 f2.8, 셔터 스피드를 1/2.8초로 하였다.
여기에서, 도 86의 (A)는 적외광 컷트 필터를 이용하지 않는 경우의 녹색 화상 G(IR 컷트 없음)이며, 도 86의 (B)는 적외광 컷트 필터를 이용한 경우의 녹색 화상 G(IR 컷트 있음)이며, 도 86의 (C)는 그 차분 화상, 즉 녹색 필터 G의 적외광 누설 성분의 화상이다. 도 87은, 도 86에 도시한 촬상 결과의, 맥베스 차트의 색표 번호마다 신호 레벨(실측값)을 도시한 도면이다.
도 86의 각 도면의 비교 혹은 도 87로부터 알 수 있는 바와 같이, 맥베스 차트의 각 색표를 촬상한 G색 필터 화소 출력의 신호 레벨이, 적외광 컷트 필터의 유무에 따라 서로 다르다.
도 88은, 실험용 카메라와 보정 화소로서의 흑색 필터 BK를 이용하여 맥베스 차트를 촬상하여 얻은 미처리의 화상 데이터에 기초하는 화상(로우 데이터 화상)을 도시하는 도면이다. 촬상 조건은, 도 86의 경우와 동일하다. 여기에서, 도 88의 (A)는 흑색 필터 BK의 화상(흑색 필터 화상 Br)이며, 도 88의 (B)는 비교예로서의 , 녹색 필터 G의 적외광 누설 성분의 화상(도 86의 (C)와 마찬가지의 것)이다.
도 89는, 흑색 필터 화상 Br에 소정의 계수 αG를 곱한 흑색 보정 화상 Brcorr을 도시하는 도면이다. 촬상 조건은, 도 86의 경우와 동일하다. 여기에서, 도 89의 (A)는 계수 αG=0.18인 경우의 흑색 보정 화상 Brcorr이며, 도 89의 (B)는 비교예로서의, 녹색 필터 G의 적외광 누설 성분의 화상(도 86의 (C)와 마찬가지의 것)이다.
이 양자의 화상을 비교하면 알 수 있는 바와 같이, 맥베스 차트의 각 색표의 신호 레벨이 모두 대략 동일한 상태로 되어 있다. 즉, 녹색 필터 G의 출력에 나타나는 적외광의 누설 성분을 흑색 필터 BK를 사용함으로써 가시광 성분과 분리하여 취득할 수 있다. 따라서, 도 86의 (B)에 도시한 녹색 화상 G(IR 컷트 있음)의 화상과 흑색 보정 화상 Brcorr과의 차분을 취함으로써 녹색 보정 완료 화상 G＊이 얻어져, 적외광 컷트 필터를 이용하지 않아도, 녹색 화상으로부터 적외광 누설 성분을 제거할 수 있다.
예를 들면, 도 90 및 도 91은, 흑색 보정 화상을 이용한 G색 화상에 대한 보정 효과의 일례를 도시하고 있다. 여기서 도 90의 (A)는 녹색 화상 G(IR 컷트 없음)(도 86의 (A)와 마찬가지의 것)이고, 도 90의 (B)는 녹색 화상 G(IR 컷트 있음)(도 86의 (B)와 마찬가지의 것)이며, 도 90의 (C)는 녹색 화상 G(IR 컷트 없음)와 흑색 보정 화상 Brcorr과의 차분 화상 즉 녹색 보정 완료 화상 G＊이다. 또한, 도 91은, 도 90의 (C)에 도시한 차분 결과(녹색 보정 완료 화상)의, 맥베스 차트의 색표 번호마다 신호 레벨(실측값)을 도시한 도면이다.
도 90의 (A)와 도 90의 (C)의 비교 혹은 도 91로부터 알 수 있는 바와 같이, 맥베스 차트의 각 색표의 신호 레벨이 모두 대략 동일한 상태로 되어 있다. 즉, 적외광 컷트 필터를 이용하지 않아도 녹색 화상으로부터 적외광 누설 성분을 대략 제거할 수 있다. 적외광 컷트 필터를 이용하지 않아도, 적외광 컷트 필터를 이용한 경우와 거의 동등한 신호를 취득할 수 있으므로, 적외광 컷트 필터를 이용한 경우와 거의 동등한, 충분한 색 재현성의 가시광 컬러 화상을 취득할 수 있다.
단, 도 91로부터 알 수 있는 바와 같이, 적외광 컷트 필터가 있는 경우와의 차가 약간이기는 하지만 존재한다. 이 차는, 도 84에 도시하는 바와 같이，G색의 가시광 영역에서의 투과 스펙트럼이 적외광 컷트 필터의 유무에 따라 차를 갖는 것이 원인이라고 생각된다. 따라서, 이 영향을 보정하기 위해서는, 단순하게 녹색 화상 G(IR 컷트 없음)과 흑색 보정 화상 Brcorr과의 차분을 취하는 것이 아니라, 미리 녹색 화상 G(IR 컷트 없음)에 대하여 감도 보정을 가해 두는 것이 좋다고 생각된다. 이 감도 보정에 있어서는, 흑색 필터 BK의 화소 신호를 이용하는 것이 좋다.
즉, 이 경우의 보정 연산에 있어서는, 수학식 5의 (5-1)과 같이, 본래의 가시광 파장 영역에서의 각 색 신호 성분에 적외광의 누설 신호 성분이 가해진 색 신호 성분 SCy, SMg, SYe, SG로부터 적외광 신호 성분 SIR에 소정의 계수 αR, αG, αB를 곱한 보정 신호 성분을 감산할 뿐만 아니라, 수학식 5의 (5-2)와 같이, 색 신호 성분 SCy, SMg, SYe, SG에 대하여 미리 적외광 신호 성분 SIR에 소정의 계수 εR, εG, εB를 곱한 값으로 감도 보정을 가해 두고, 이 감도 보정이 가해진 것으로부터 적외광 신호 성분 SIR에 소정의 계수 αR, αG, αB를 곱한 보정 신호 성분을 감산함으로써, 고정밀도의 보정을 행하도록 하면 된다.
예를 들면, 도 92 및 도 93은, 그 고정밀도의 보정 효과의 일례를 도시하고 있다. 여기서 도 92a는 녹색 화상 G(IR 컷트 있음)(도 86의 (B)와 마찬가지의 것)이며, 도 92b는 수학식 5의 (5-2)에 따라서 계수 αG=0.11, εG≒0.0012로서 고정밀도의 보정을 행한 경우의 녹색 보정 완료 화상 G＊＊이다. 또한, 도 93은, 도 92b에 도시한 차분 결과(녹색 보정 완료 화상 G＊＊)의, 맥베스 차트의 색표 번호마다 신호 레벨(실측값)을 도시한 도면이다.
도 92a와 도 92b의 비교 혹은 도 93으로부터 알 수 있는 바와 같이, 맥베스 차트의 각 색표의 신호 레벨이 모두 거의 동일한 상태로 되어 있다. 즉, 적외광 컷트 필터를 이용하지 않아도 녹색 화상으로부터 적외광 누설 성분을 거의 제거할 수 있다. 적외광 컷트 필터를 이용하지 않아도 녹색 화상으로부터 적외광 누설 성분을 거의 완전하게 제거할 수 있게 된다. 적외광 컷트 필터를 이용하지 않아도, 적외광 컷트 필터를 이용한 경우와 동등한 신호를 취득할 수 있으므로, 적외광 컷트 필터를 이용한 경우와 동등한, 충분한 색 재현성의 가시광 컬러 화상을 취득할 수 있다.
예를 들면 백색 보정 화소(12W)로부터 얻어지는 신호 SW에는, 적외광 성분뿐만 아니라 가시광 성분도 포함되므로, 이 가시광 성분의 신호 SVL을 사용하여, 가시광 컬러 화상 촬상용의 원색 필터(14R, 14G, 14B)가 배치된 화소에 기초하여 얻어지는 휘도 신호에 보정을 가함(실제로는 가산 연산 처리를 행함)으로써, 색 재현성과는 독립적으로, 가시광 컬러 화상의 고감도화를 도모할 수도 있다.
<<실험예; 백색 보정 화소>>
도 94∼도 101은, 백색 보정 화소를 이용하여, 가시광 컬러 화상의 색 재현성을 보정하는 구조의 실험예를 설명하는 도면이다.
우선, 도 94는, 백색 보정 화소를 적용하는 경우에서의 실험시의 환경 조건을 도시하는 도면이다. 이 실험예에서는, 소니(주)의 흑백 카메라 XCX495M(이하 실험용 카메라라고도 함)을 베이스로, R, G, B의 원색 필터를 추가함으로써 원색 화소(12R, 12G, 12B)를 설치함과 함께, 의사 MLT 필터를 설치함으로써 백색 보정 화소(12W)를 구성해서 실험을 행하였다. 또한, 백색 보정 화소(12W)를 설치하는 것의 효과를 검증하기 위해, 의사 MLT 필터 대신에 IR 컷트 필터(C5000) 있음과 없음을 절환하도록 하였다.
여기에서, 「의사 MLT 필터」란, Si3N4/SiO2 다층막(5주기)의 투과 특성과 거의 동일한 IR 컷트 필터이며, (주)대진공 제의 C5000의 필터의 두께가 1.6㎜에 대하여 0.4㎜의 얇은 것이다.
또한, 백색 보정 화소(12W)를 설치하는 경우의 화소 배열로서는, 전술한 도 68의 (A), 도 75의 (B), 도 77의 (B) 등의 것으로 할 수 있다.
또한, 색 온도 2600K, 2800K, 3000K의 3종류의 할로겐 램프와, 색 온도 3000∼7000K의 3종류의 형광등 ECW(구체적으로는 주광색, 주백색, 전구색의 각 형광등)를 광원 조건으로 하여, 측색의 지표로서 사용하는 맥베스 차트와 해상도 평가용의 해상도 차트를 촬상하였다.
도 95는, 통상의 IR 컷트 필터(C5000)와, 의사 MLT 필터의 투과 특성을 도시하는 도면이다. 도면으로부터 알 수 있는 바와 같이, IR 컷트 필터(C5000) 대신에 의사 MLT 필터를 이용함으로써, 가시광대의 전체 파장 성분을 충분한 강도로 투과시킬 수 있음과 함께, 적외광대에서는，R, G, B의 원색 필터의 투과 강도에 비하여 충분한 강도로 투과시키는 특성으로 할 수 있다.
도 96은, 실험용 카메라와 의사 MLT 필터를 적용한 경우의 색 필터의 분광 감도 특성도이다. 도면으로부터 알 수 있는 바와 같이, 의사 MLT 필터를 적용한 경우, 적외광 영역(파장 700㎚ 이상)에서는，R, G, B의 원색 필터 성분에, 적외광(IR)의 누설 성분(IR 누설광)이 존재한다.
도 97은, 전체의 처리 수순을 도시하는 플로우차트이다. IR 컷트 필터(C5000)를 이용한 경우와 의사 MLT 필터를 이용한 경우와의 차이는, 적외광 보정 처리부(342)에서의 전술한 수학식 5나 수학식 12를 적용한 색 보정 연산 처리(S104)가 존재하는지의 여부뿐이다.
즉, 촬상 신호 처리부(330)는, 우선 실험용 카메라로부터 미처리의 촬상 신호(raw 출력)를 취득한다(S100). 전처리부(332)는, 실험용 카메라로부터 출력된 미처리의 촬상 신호, 즉 센서 출력 신호(가시광 촬상 신호 SVL(상세하게는 R, G, B의 각 색 성분 SR, SG, SB) 및 적외광 촬상 신호 SIR)에 대하여 흑 레벨 조정이나 게인 조정이나 감마 보정 등의 전처리를 행한다(S102). 이 후, 의사 MLT 필터를 이용한 경우에는, 화상 신호 처리부(340)의 적외광 보정 처리부(342)는, 수학식 5나 수학식 12를 적용한 색 보정 연산 처리를 실행한다(S104).
또한, 화상 신호 처리부(340)는, 화이트 밸런스(WB)용의 규격화 처리(S106)나 명도 신호의 규격화 처리(S108)를 실행함으로써, 비트맵 데이터를 취득한다(S110). 그리고, 평가용의 색 데이터를 취득한다(S120).
평가용의 색 데이터를 취득함(S120)에 있어서는, 우선, R, G, B 신호(여기서는 sRGB 신호)를 선형화 처리하고(S122), CIE(Commission Internationale d'Eclairage)에서 1931년에 채택된 등색 함수 x(λ), y(λ), z(λ)에 기초하는 3색 표색계의 XYZ 표색계 신호로 변환한다(S124). 또한，CIE가 1976년에 정한 균등 색공간의 하나인 Lab 표색계의 색 신호로 변환한다(S126).
이와 같이 하여, IR 컷트 필터(C5000)를 이용한 경우와 의사 MLT 필터를 이용한 경우의 각각에서 Lab 신호를 취득하면, 각각 상기 수학식 4에 따라서 색차 ΔEab를 구하여, 각각의 색차를 비교한다(S130).
수학식 5나 수학식 12를 적용하는 경우의 각 계수 α, β, γ는, 뉴턴법을 이용하여 오차가 작아지도록 산술 계산으로 구하는데, 여기에서는, 일례로서, α, γ는, 하기 수학식 16의 (16-1)인 것으로 한다. 또한，수학식 12를 적용하는 경우의 각 계수 ω, η은, 하기 수학식 16의 (16-2)인 것으로 한다.
Figure 112006052171949-PAT00016
수학식 16의 (16-2)에서는, 원색계 필터의 실험용 카메라를 측정한 결과를 바탕으로, 가장 색차가 작아지도록 계수를 구한 것이며, ωR, ωG의 값이 “0”이 지만, 계수는, 디바이스에 고유한 것이기 때문에, 디바이스마다 값이 서로 달라지므로, 다른 디바이스의 경우, “0”이 아닌 경우도 있다.
도 98은, 할로겐 광원(색 온도 3000K)의 환경 하에서 맥베스 차트의 24색을 촬영하고, 연산으로 보정 전후의 색차를 구한 결과를 도시하는 도면이다. 이 도 98은, 보정을 하고 있지 않을 때의 색차와, 수학식 5를 적용한 선형항만에서의 보정 연산에 의한 색차와, 수학식 12를 적용한 비선형항도 포함하는 보정 연산에 의한 색차를 비교할 수 있도록 그래프화한 도면이다. 여기에서, 횡축은 맥베스 차트의 각 색의 번호를 나타내고 있다.
도 98로부터 알 수 있는 바와 같이, 보정 전의 평균 색차 7.36에 대하여, 보정 후의 평균 색차는, 수학식 5를 적용한 경우에는 3.95가 한계이다. 그러나, 다시 수학식 5를 개선하여 수학식 12를 적용해서 비선형항을 이용한 보정을 가함으로써, 3.01로 더욱 색차를 감소시킬 수 있어, 색 재현을 개선할 수 있는 것을 알 수 있다.
도 99는, 할로겐 광원(색 온도 3000K) 외에, 색 온도 2600K, 2800K의 2종류의 할로겐 램프와, 주광색, 주백색, 전구색의 3종류의 형광등에 대하여, 색차의 측정 결과를 정리한 도표이다. 여기에서는, 보정 없음의 경우와 수학식 12를 적용한 보정 있음의 경우를 도시하고 있다.
도 99로부터 알 수 있는 바와 같이, 어떠한 광원 하에서도, 수학식 12를 적용해서 비선형항을 이용하여 IR 누설광에 대한 보정을 행함으로써, 평균 색차를 보정 전에 비하여 충분히 작게 할 수 있다. 할로겐 광원(색 온도 2800K)의 경우라 도, ΔEab=4.064<5로 할 수 있어, 가시광 성분에 적외광의 입사분이 있어도 수학식 12를 적용한 보정에 의해 충분한 색 재현이 가능한 것을 알 수 있다. 또한, 할로겐 광원(색 온도 2600K)의 경우에는, ΔEab=6.14>5로서, 색 재현성에 문제는 남는다.
<노이즈에 대해서>
또한，수학식 5나 수학식 12 등을 적용해서 보정 연산을 행하면, 이 보정 연산에 수반하는 노이즈(S/N) 열화가 우려된다. 그러나, 실험에 의하면, 문제가 없는 것을 알 수 있었다. 이하, 이 점에 대하여 설명한다.
우선, 수학식 5를 적용한 경우의 노이즈 N은, A색 성분(여기서는 A색은 백색에 상당함), R색 성분, G색 성분, B색 성분 사이에 상관성이 없다고 가정하고, 하기 수학식 17에 표현하는 바와 같이 분산 σ의 상승 평균 계산으로 구할 수 있다.
Figure 112006052171949-PAT00017
또한，수학식 12를 적용한 경우에는, 각 계수 ω, η가 상기 수학식 16의 (16-2)인 경우, 적외광 성분 IR과 청색 성분 B는 하기 수학식 18에 표현하는 바와 같이 된다.
Figure 112006052171949-PAT00018
따라서, 예를 들면, 청색 성분 B에 대해서는, 하기 수학식 19가 얻어지며, 청색 성분 B에 관한 노이즈 NB*은, 수학식 19의 좌변에 루트를 취함으로써 구할 수 있다.
또한，수학식 19와 수학식 17 사이에는, σb1=NB*, σa=NA, σr=NR, σg=NG, σb=NB의 관계가 있다.
Figure 112006052171949-PAT00019
도 100 및 도 101은, 할로겐 광원(색 온도 3000K)과 형광등에 대하여, 노이즈의 개산값과 실측값을 정리한 도표이다. 도 100 및 도 101로부터 알 수 있는 바와 같이, 통상의 IR 컷트 필터(C5000)를 이용한 경우에 대하여, 수학식 12를 적용해서 비선형항을 이용하여 IR 누설광에 대한 보정을 행한 경우, 할로겐 광원(색 온도 3000K)에서는 -0.530dB(개산), -0.784dB(실측), 형광등에서는 +2.854dB(개산), +0.383dB(실측)로 되며, 어떠한 광원 하에서도, 노이즈 열화는 그다지 문제로 되지 않는 것이 확인되었다.
<산업상의 이용 가능성>
이상, 본 발명에 대하여 실시예를 이용하여 설명했지만, 본 발명의 기술적 범위는 상기 실시예에 기재된 범위에는 한정되지 않는다. 발명의 요지를 일탈하지 않는 범위에서 상기 실시예에 다양한 변경 또는 개량을 가할 수 있으며, 그러한 변경 또는 개량을 가한 형태도 본 발명의 기술적 범위에 포함된다.
또한, 상기한 실시예는, 클레임(청구항)에 관계되는 발명을 한정하는 것은 아니고, 또한 실시예 중에서 설명되어 있는 특징의 조합의 전부가 발명의 해결 수단에 필수라고는 단정할 수 없다. 전술한 실시예에는 여러 가지의 단계의 발명이 포함되어 있으며, 개시되는 복수의 구성 요건에서의 적절한 조합에 의해 여러 가지의 발명을 추출할 수 있다. 실시예에 나타내어지는 전체 구성 요건으로부터 몇 가지의 구성 요건이 삭제되어도, 효과가 얻어지는 한에 있어서, 이 몇 가지의 구성 요건이 삭제된 구성이 발명으로서 추출될 수 있다.
예를 들면, 전술한 기술은 반드시 가시광과 적외광의 분광과, 그 분광 성분 을 독립적으로 검지함으로써 가시광 상과 적외광 상을 개별로 취득하는 기술에 한정된 것은 아니다. 예를 들면, 가시광과 자외광의 분광이나 검지도 가능하게 되어, 가시광과 함께 자외광도 동시에 검출하여 이미지화할 수 있다. 또한, 동시에 검출하는 가시광에 대해서는, 분광하지 않고 모노크롬 화상을 검지하는 것에 한하지 않고, 상술한 바와 같이 하여 색별의 색 필터를 이용하여 가시광대 내를 예를 들면 3원색 성분으로 분광함으로써 컬러 화상을 검지할 수도 있다.
이에 의해, 눈으로 볼 수 있는 가시광의 이미지 상(모노크롬 화상 혹은 컬러 화상)과 대응하여, 눈으로 볼 수 없는 자외광의 상 정보를 동시에 취득할 수 있다. 이것에 의해 광합성 감시 카메라 등의 새로운 정보 시스템의 키 디바이스로서 응용이 확대된다.
본 발명에 따르면, 제1 검지부에서 검지된 단위 신호를 제2 검지부에서 검지된 단위 신호를 사용하여 보정하도록 했으므로, 제1 검지부에서 검지된 제1 파장 영역의 성분에 포함되는 제2 파장 영역의 성분을 억제·제거할 수 있다.
이 결과, 예를 들면 감색 필터의 일례로서의 적외광 컷트 필터를 센서 앞에 넣지 않아도, 충분한 색 재현성의 가시광 컬러 화상을 취득할 수 있다. 고가의 적외광 컷트 필터를 불필요하게 함으로써, 코스트를 대폭 저감할 수 있다. 또한 두께나 무게가 있는 적외광 컷트 필터를 불필요하게 함으로써, 광학계를 경량이며 또한 컴팩트하게 할 수 있다. 물론, 적외광 컷트 필터의 삽입/발출 기구가 불필요하여, 장치가 대규모로 되는 경우도 없다.

Claims (20)

  1. 전자파를 검지하는 검지부와, 상기 검지부에서 검지된 전자파량에 기초하여 대응하는 단위 신호를 생성해서 출력하는 단위 신호 생성부를 단위 구성 요소 내에 포함하며, 그 단위 구성 요소가 소정의 순으로 동일 기판 상에 배치된 물리량 분포 검지를 위한 장치를 사용하여, 상기 단위 신호에 기초하여 소정 목적용의 물리 정보를 취득하는 물리 정보 취득 방법으로서,
    제1 파장 영역의 성분에 대하여 그 제1 파장 영역의 성분과는 다른 제2 파장 영역의 성분과 미리 분리하여 제1 상기 검지부에서 검지함과 함께, 적어도 상기 제2 파장 영역의 성분을 포함하는 보정용의 파장 영역의 성분을 제2 상기 검지부에서 검지하고,
    상기 제1 검지부에서 검지된 단위 신호를, 상기 제2 검지부에서 검지된 단위 신호를 사용하여, 상기 제2 파장 영역의 성분의 영향 중 적어도 일부를 배제한 상기 제1 파장 영역의 성분에 관한 물리 정보를 취득하는 것을 특징으로 하는 물리 정보 취득 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1 검지부에서 검지된 단위 신호로부터, 상기 제2 검지부에서 검지된 단위 신호에 소정의 계수를 곱한 신호 성분을 감산함으로써 상기 보정을 행하는 것을 특징으로 하는 물리 정보 취득 방법.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 보정용의 파장 영역의 성분은 상기 제1 파장 영역의 성분을 포함하지 않는 것을 특징으로 하는 물리 정보 취득 방법.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 보정용의 파장 영역의 성분은 상기 제1 파장 영역의 성분을 포함하며, 그 보정용의 파장 영역의 성분으로부터 상기 제1 검지부에서 검지된 단위 신호를 사용하여, 상기 제1 파장 영역의 성분 중 적어도 일부를 배제한 상기 제2 파장 영역의 성분의 단위 신호를 취득하고,
    그 보정 후의 상기 제2 파장 영역의 단위 신호를 사용하여 상기 제1 검지부에서 검지된 단위 신호에 대하여 상기 보정을 행하는 것을 특징으로 하는 물리 정보 취득 방법.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 제1 파장 영역의 성분을 포함하지 않는 상기 제2 검지부에서 검지되는 한쪽의 상기 보정용의 파장 영역의 단위 신호를 사용하여 상기 제1 검지부에서 검지된 단위 신호에 대하여 제1 상기 보정을 행함과 함께,
    상기 제1 파장 영역의 성분을 포함하는 상기 제2 검지부에서 검지되는 다른쪽의 상기 보정용의 파장 영역의 성분의 단위 신호를 상기 제1 검지부에서 검지된 단위 신호를 사용하여, 상기 제1 파장 영역의 성분 중 적어도 일부를 배제한 상기 제2 파장 영역의 성분의 단위 신호를 취득하고, 그 보정 후의 상기 제2 파장 영역의 단위 신호를 사용하여 상기 제1 검지부에서 검지된 단위 신호에 대하여 제2 상기 보정을 행하는 것을 특징으로 하는 물리 정보 취득 방법.
  6. 전자파를 검지하는 검지부와, 상기 검지부에서 검지된 전자파량에 기초하여 대응하는 단위 신호를 생성해서 출력하는 단위 신호 생성부를 단위 구성 요소 내에 포함하며, 그 단위 구성 요소가 소정의 순으로 동일 기판 상에 배치된 물리량 분포 검지를 위한 장치를 사용하여, 상기 단위 신호에 기초하여 소정 목적용의 물리 정보를 취득하는 물리 정보 취득 장치로서,
    제1 파장 영역의 성분에 대하여, 그 제1 파장 영역의 성분과는 다른 제2 파장 영역의 성분과 미리 분리하여 검지하는 제1 검지부와,
    적어도 상기 제2 파장 영역의 성분을 포함하는 보정용의 파장 영역의 성분을 검지하는 제2 검지부와,
    상기 제1 검지부에서 검지된 단위 신호를, 상기 제2 검지부에서 검지된 단위 신호를 사용하여, 상기 제2 파장 영역의 성분의 영향 중 적어도 일부를 배제한 상기 제1 파장 영역의 성분에 관한 물리 정보를 취득하는 신호 처리부를 구비한 것을 특징으로 하는 물리 정보 취득 장치.
  7. 전자파를 검지하는 검지부와, 상기 검지부에서 검지된 전자파량에 기초하여 대응하는 단위 신호를 생성해서 출력하는 단위 신호 생성부를 단위 구성 요소 내에 포함하며, 그 단위 구성 요소가 소정의 순으로 동일 기판 상에 배치된 물리량 분포 검지를 위한 장치로서, 제1 파장 영역의 성분에 대하여, 그 제1 파장 영역의 성분과는 다른 제2 파장 영역의 성분과 미리 분리하여 검지하는 제1 검지부와, 적어도 상기 제2 파장 영역의 성분을 포함하는 보정용의 파장 영역의 성분을 검지하는 제2 검지부를 구비한 것을 사용하여, 상기 단위 신호에 기초하여 소정 목적용의 물리 정보를 취득하는 물리 정보 취득 장치로서,
    상기 제1 검지부에서 검지된 단위 신호를, 상기 제2 검지부에서 검지된 단위 신호를 사용하여, 상기 제2 파장 영역의 성분의 영향 중 적어도 일부를 배제한 상기 제1 파장 영역의 성분에 관한 물리 정보를 취득하는 신호 처리부를 구비한 것을 특징으로 하는 물리 정보 취득 장치.
  8. 제6항 또는 제7항에 있어서,
    상기 신호 처리부는, 상기 제1 검지부에서 검지된 단위 신호로부터, 상기 제2 검지부에서 검지된 단위 신호에 소정의 계수를 곱한 신호 성분을 감산함으로써 상기 보정을 행하는 것을 특징으로 하는 물리 정보 취득 장치.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 신호 처리부는, 또한, 상기 제2 검지부에서 검지된 단위 신호와 상기 제1 검지부에서 검지된 단위 신호와의 곱에 소정의 계수를 곱한 비선형의 신호 성 분을 가산함으로써 상기 보정을 행하는 것을 특징으로 하는 물리 정보 취득 장치.
  10. 제6항 또는 제7항에 있어서,
    상기 제2 검지부는, 상기 제1 파장 영역의 성분을 포함하지 않는 상기 보정용의 파장 영역의 성분의 단위 신호를 검지하는 것을 특징으로 하는 물리 정보 취득 장치.
  11. 제6항 또는 제7항에 있어서,
    상기 제2 검지부는, 상기 제1 파장 영역의 성분을 포함하는 상기 보정용의 파장 영역의 성분의 단위 신호를 검지하는 것이며,
    상기 신호 처리부는, 상기 제2 검지부에서 검지되는 보정용의 파장 영역의 성분의 단위 신호를 상기 제1 검지부에서 검지된 단위 신호를 사용하여, 상기 제1 파장 영역의 성분 중 적어도 일부를 배제한 상기 제2 파장 영역의 성분의 단위 신호를 취득하고, 그 보정 후의 상기 제2 파장 영역의 단위 신호를 사용하여 상기 제1 검지부에서 검지된 단위 신호에 대하여 상기 보정을 행하는 것을 특징으로 하는 물리 정보 취득 장치.
  12. 제6항 또는 제7항에 있어서,
    상기 제2 검지부로서, 상기 제1 파장 영역의 성분을 포함하지 않는 상기 보정용의 파장 영역의 성분의 단위 신호를 검지하는 것과, 상기 제1 파장 영역의 성 분을 포함하는 상기 보정용의 파장 영역의 성분의 단위 신호를 검지하는 것이 존재하고 있고,
    상기 신호 처리부는, 상기 제1 파장 영역의 성분을 포함하지 않는 상기 제2 검지부에서 검지되는 한쪽의 상기 보정용의 파장 영역의 단위 신호를 사용하여 상기 제1 검지부에서 검지된 단위 신호에 대하여 제1 상기 보정을 행함과 함께, 상기 제1 파장 영역의 성분을 포함하는 상기 제2 검지부에서 검지되는 다른쪽의 상기 보정용의 파장 영역의 성분의 단위 신호를 상기 제1 검지부에서 검지된 단위 신호를 사용하여, 상기 제1 파장 영역의 성분 중 적어도 일부를 배제한 상기 제2 파장 영역의 성분의 단위 신호를 취득하고, 그 보정 후의 상기 제2 파장 영역의 단위 신호를 사용하여 상기 제1 검지부에서 검지된 단위 신호에 대하여 제2 상기 보정을 행하는 것을 특징으로 하는 물리 정보 취득 장치.
  13. 제6항 또는 제7항에 있어서,
    상기 제2 검지부의 검지 시간을 제어하는 구동부를 구비하는 것을 특징으로 하는 물리 정보 취득 장치.
  14. 제6항 또는 제7항에 있어서,
    상기 신호 처리부는, 상기 제2 검지부에서 검지되는 보정용의 파장 영역의 성분의 단위 신호를 복수회 적산하고, 그 적산 후의 상기 제2 파장 영역의 단위 신호를 사용하여 상기 제1 검지부에서 검지된 단위 신호에 대하여 상기 보정을 행하 는 것을 특징으로 하는 물리 정보 취득 장치.
  15. 전자파를 검지하는 검지부와, 상기 검지부에서 검지된 전자파량에 기초하여 대응하는 단위 신호를 생성해서 출력하는 단위 신호 생성부를 단위 구성 요소 내에 포함하며, 그 단위 구성 요소가 소정의 순으로 동일 기판 상에 배치된 물리량 분포 검지를 위한 반도체 장치로서,
    제1 파장 영역의 성분과 그 제1 파장 영역의 성분과는 다른 제2 파장 영역의 성분을 미리 분리하여 검지하는 제1 검지부와, 적어도 상기 제2 파장 영역의 성분을 포함하는 보정용의 파장 영역의 성분을 검지하는 제2 검지부를 동일 기판 상에 구비하는 것을 특징으로 하는 반도체 장치.
  16. 제15항에 있어서,
    상기 제1 검지부와 상기 제2 검지부가, 일정한 수비를 갖고 주기적으로 배치되어 있는 것을 특징으로 하는 반도체 장치.
  17. 제16항에 있어서,
    복수의 상기 제1 검지부에 대하여 1개의 상기 제2 검지부가 배치되어 있는 것을 특징으로 하는 반도체 장치.
  18. 제15항에 있어서,
    상기 제1 검지부와 상기 제2 검지부가 1대 1로 배치되어 있는 것을 특징으로 하는 반도체 장치.
  19. 제15항에 있어서,
    상기 제1 검지부는 상기 제1 파장 영역의 성분을 더욱 파장 분리하여 검지하는 복수의 검지 요소의 조합으로 이루어지고,
    상기 제1 검지부의 상기 복수의 검지 요소와 상기 제2 검지부가 2차원 격자 형상으로 배치되어 있으며, 또한, 상기 복수의 검지 요소 중의 임의의 파장 성분을 검지하는 것이 체크 모양으로 되도록 배치되어 있는 것을 특징으로 하는 반도체 장치.
  20. 제15항에 있어서,
    상기 제1 검지부는 상기 제1 파장 영역의 성분을 더욱 파장 분리하여 검지하는 복수의 검지 요소의 조합으로 이루어지고,
    상기 제1 검지부의 상기 복수의 검지 요소와 상기 제2 검지부가 2차원 격자 형상으로 배치되어 있으며, 또한, 상기 제2 검지부가 체크 모양으로 되도록 배치되어 있는 것을 특징으로 하는 반도체 장치.
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