(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
赤外線と、可視光線とに検出感度を有するイメージセンサと、
前記イメージセンサの前段に配置され、赤外線を透過し可視光線を遮光する部材からなり、可視光線の前記イメージセンサへの入射範囲を制限する可視光線用の絞りと、
前記可視光線用の絞りと前記イメージセンサの間に開口部を有し、前記開口部以外の赤外線を遮光して赤外線の前記イメージセンサへの入射を制限する赤外線用の絞りと
を備えることを特徴とする固体撮像装置。
【請求項２】
前記可視光線用の絞りは、シリコンからなる
ことを特徴とする請求項１に記載の固体撮像装置。
【請求項３】
前記赤外線用の絞りは、前記イメージセンサの周囲を囲い、かつ、冷却されるコールドシールドからなる
ことを特徴とする請求項１または２に記載の固体撮像装置。
【請求項４】
前記可視光線用の絞りの前段に配置され、赤外線及び可視光線を透過し集光する部材からなり、赤外線及び可視光線を前記イメージセンサに集光するレンズを
さらに備えることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の固体撮像装置。
【請求項５】
前記可視光線用の絞りと前記赤外線用の絞りの間に配置され、赤外線及び可視光線を反射する凹型ミラーと、前記凹型ミラーからの光を前記イメージセンサに反射する凸型ミラーとを有する集光手段を
さらに備えることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の固体撮像装置。
【請求項６】
前記赤外線用の絞りの前段に配置され、可視光線を透過し、赤外線の一部の波長領域を透過するバンドパスフィルタ
をさらに備えることを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載の固体撮像装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、固体撮像装置に関し、特に、赤外線画像と可視光線画像の両方を同時に得ることができるようにした固体撮像装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
固体撮像装置の一種に、赤外線を検出する赤外線イメージセンサを用いた固体撮像装置（赤外線撮像装置）がある。また、赤外線イメージセンサの一種として、光起電力効果または光導電効果を利用する量子型の赤外線イメージセンサがある。
【０００３】
量子型の赤外線イメージセンサは、感度が良好で、かつ反応速度が速い（応答特性の良好な）センサであるが、検出感度に波長依存性があり、長波長の赤外線を検出するためには、受光部を冷却する必要がある。
【０００４】
従来、波長が約３μｍ乃至約５μｍの赤外線（中赤外線）の検出を目的として、７７Ｋに冷却したPtSiショットキーバリアダイオードを受光部（センサ部）とする赤外線イメージセンサが開発されている。
【０００５】
図６は、従来の、赤外線イメージセンサを用いた固体撮像装置の一構成例を示す断面図である。この固体撮像装置は、図中左側から入射する光線１２のうち赤外線を主に透過して所定の角度φA に集光する、シリコンまたはゲルマニウム等からなる赤外線レンズ２０と、赤外線レンズ２０によって集光された赤外線を受光する受光装置７と、受光装置７の内部に設けられているイメージセンサ８を冷却するスターリングクーラー１０からなる。
【０００６】
受光装置７の周囲はデュワ５によって囲まれている。デュワ５の、図中、左側（赤外線レンズ２０の配置されている側）には、赤外線レンズ２０を透過した赤外線を受光装置７の内部に取り込むための開口部５Ａが設けられており、少なくとも赤外線を透過する部材（例えば、ZnS ）からなる窓３が、開口部５Ａの全面を覆うように、デュワ５に密着して取り付けられている。また、デュワ５の開口部５Ａに対向する側（図中、右側）には、開口部５Ｂが設けられており、熱伝導性の良好な部材からなるコールドステージ９が、開口部５Ｂの全面を覆うように、デュワ５に密着して取り付けられている。すなわち、受光装置７は、デュワ５、窓３及びコールドステージ９によって密閉されている。
【０００７】
デュワ５の内部のコールドステージ９上には、受光部がPtSiショットキーバリアダイオードからなるイメージセンサ８が取り付けられており、赤外線レンズ２０によって集光された赤外線（赤外線画像）がイメージセンサ８上に結像するようになされている。また、赤外線及び可視光線を遮光する部材（例えば、アルミニウム）からなり、所定の大きさの開口部４Ａを赤外線光路上に有するコールドシールド４がコールドステージ９上に取り付けられており、イメージセンサ８の周囲を囲んでいる。上記開口部４Ａの大きさは、赤外線レンズ２０によって角度φA に集光され、受光装置７の内部に入射した赤外線以外の赤外線の、コールドシールド４の内部への入射（イメージセンサ８への入射）を制限する大きさとされている（すなわち、コールドシールド４は、絞りの役割を果たしている）。
【０００８】
また、上述したスターリングクーラ１０は、デュワ５の開口部５Ｂの全面に取り付けられているコールドステージ９と接続されている。従って、コールドステージ９に取り付けられているイメージセンサ８及びコールドシールド４は、スターリングクーラ１０によって所定の温度（約７７Ｋ）に冷却される。
【０００９】
なお、イメージセンサ８の結露を抑制するために、デュワ５、窓３及びコールドステージ９で囲まれた空間１１は、排気処理によって真空状態とされている。
【００１０】
次に、図６に示す固体撮像装置の動作について説明する。赤外線レンズ２０は、図中、左側から入射された光線１２のうち、主に赤外線Ｘを透過して角度φA に集光する。赤外線レンズ２０によって集光された赤外線Ｘは、窓３を透過して受光装置７の内部に入射し、さらに、コールドシールド４の開口部４Ａを通過してイメージセンサ８で結像する。
【００１１】
ところで、コールドシールド４は、赤外線レンズ２０によって角度φA に集光された赤外線Ｘ以外の赤外線の、イメージセンサ８への入射を制限している。すなわち、物質は、その物質の温度に対応して赤外線を放射する（温度が高いほど多量の赤外線を放射する）ので、例えば、デュワ５等も赤外線を放射している。この不所望な赤外線が、イメージセンサ８に入射してしまうと、所望の赤外線画像を得ることができなくなってしまう。そこで、この固体撮像装置においては、コールドシールド４がイメージセンサ８の周囲を囲むように設けられており、また、開口部４Ａの大きさが、赤外線レンズ２０によって集光された赤外線Ｘ以外の赤外線（デュワ５等から放射される不所望な赤外線）のコールドシールド４の内部への入射を制限する大きさとされている。
【００１２】
なお、コールドシールド４は、コールドステージ９に直接取り付けられているので、スターリングクーラ１０によって冷却されており、赤外線をほとんど放射していない。
【００１３】
イメージセンサ８は、スターリングクーラ１０によって、７７Ｋに冷却されているので、結像した赤外線画像を良好に検出して光電変換し、図示せぬ出力端子から、電気信号として出力する。
【００１４】
ところで、上述したように、図６に示す固体撮像装置のイメージセンサ８は、PtSiショットキーバリアダイオードからなる受光部を有している。このPtSiショットキーバリアダイオードは、波長が約３μｍ乃至約５μｍの赤外線の他に、波長が約０．２μｍ乃至約０．４μｍの紫外線、波長が約０．４μｍ乃至約０．７μｍの可視光線、波長が約０．７μｍ乃至約３μｍの近赤外線のそれぞれにも、それぞれ分光感度特性を有していることが、IEEE TRANSACTIONS ON ELECTRON DEVICES. VOL.38.NO.5.MAY 1991 "Ultraviolet,Visible,and Infared Response of PtSi Schottky-Barrier Detectors Operated in the Front-Illuminated Mode;Chenson K. Chen, Bettina Nechay, and Bor-Yeu Tsaurに開示されている。
【００１５】
また、United States Patent[19] Patent Number:5,122,669においても、PtSiショットキーバリアダイオードを用いたワイドバンド（波長帯域の広いバンド）の赤外線イメージセンサの例が開示されている。
【００１６】
以上に示す、PtSiショットキーバリアダイオードの特性を利用して、図６に示す固体撮像装置を用いて可視光線画像を撮像することも可能である。
【００１７】
例えば、図６の赤外線レンズ２０の代わりに、可視光線を透過する部材からなる光学系（集光レンズ）を配置する。このようにすることによって、可視光線をイメージセンサ８に結像させることができ、可視光線に対して検出感度を有しているイメージセンサ８は、結像した可視光線を電気信号に光電変換して、外部に出力する。
【００１８】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、図６に示す、従来の固体撮像装置を用いて、赤外線画像及び可視光線画像の両者を得る場合、以下に示す課題が生じる。
【００２１】
可視光線画像を検出する場合に用いられる光学系（集光レンズ）には、通常、周囲の状況（例えば、日中の屋外と室内）に対応して変化する可視光線の明るさを調節するため（可視光線成分によるイメージセンサ８の飽和を抑制するため）（すなわち、適正露光で撮像を行うため）の絞りが取り付けられている。この絞りは、通常、アルミニウム等の金属を黒く塗装したもの（可視光線を遮光する部材）からなる。従って、この絞りは、周囲から熱エネルギを吸収し易く、その温度が上昇しやすい。また、この絞りには、冷却処理（例えば、図６に示すスターリングクーラー１０による冷却処理）が施されていない。従って、この絞り自身が比較的多量の赤外線を放射してしまい、可視光線画像を、正確に得ることが困難になってしまうという課題もある。
【００２２】
本発明はこのような状況に鑑みてなされたものであり、赤外線画像と可視光線画像の両者を、同時かつ正確に得ることを目的とする。
【００２３】
【課題を解決するための手段】
本発明の固体撮像装置は、赤外線と、可視光線とに検出感度を有するイメージセンサと、イメージセンサの前段に配置され、赤外線を透過し可視光線を遮光する部材からなり、可視光線のイメージセンサへの入射範囲を制限する可視光線用の絞りと、可視光線用の絞りとイメージセンサの間に開口部を有し、開口部以外の赤外線を遮光して赤外線のイメージセンサへの入射を制限する赤外線用の絞りとを備えることを特徴とする。
【００２４】
本発明の固体撮像装置においては、赤外線と、可視光線とに検出感度を有するイメージセンサの前段に、赤外線を透過し可視光線を遮光する部材からなり、可視光線のイメージセンサへの入射範囲を制限する可視光線用の絞りが配置される。また、可視光線用の絞りとイメージセンサの間に開口部を有する赤外線用の絞りが、開口部以外の赤外線を遮光して赤外線のイメージセンサへの入射を制限する。
【００２５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施例を図面を参照して説明する（なお、従来の場合と対応する部分には同一の符号を付してあり、適宜説明を省略する）が、その前に、特許請求の範囲に記載の発明の各手段と以下の実施例との対応関係を明らかにするために、各手段の後の括弧内に対応する実施例（但し、一例）を付加して、本発明の特徴を記述すると、次のようになる。
【００２６】
請求項１に記載の固体撮像装置は、赤外線と、可視光線とに検出感度を有するイメージセンサ（例えば、図１のイメージセンサ８）と、イメージセンサの前段に配置され、赤外線を透過し可視光線を遮光する部材からなり、可視光線のイメージセンサへの入射範囲を制限する可視光線用の絞り（例えば、図１の絞り２）と、可視光線用の絞りとイメージセンサの間に開口部を有し、開口部以外の赤外線を遮光して赤外線のイメージセンサへの入射を制限する赤外線用の絞り（例えば、図１のコールドシールド４）とを備えることを特徴とする。
【００２７】
請求項４に記載の固体撮像装置は、可視光線用の絞りの前段に配置され、赤外線及び可視光線を透過し集光する部材からなり、赤外線及び可視光線をイメージセンサに集光するレンズ（例えば、図１のレンズ１）をさらに備えることを特徴とする。
【００２９】
請求項５に記載の固体撮像装置は、可視光線用の絞りと赤外線用の絞りの間に配置され、赤外線及び可視光線を反射する凹型ミラーと、凹型ミラーからの光をイメージセンサに反射する凸型ミラーとを有する集光手段（例えば、図４のミラー１３，１４）をさらに備えることを特徴とする。
【００３０】
請求項６に記載の固体撮像装置は、赤外線用の絞りの前段に配置され、可視光線を透過し、赤外線の一部の波長領域を透過するバンドパスフィルタ（例えば、図５のバンドパスフィルタ１５）をさらに備えることを特徴とする。
【００３１】
なお、勿論この記載は、各手段を上記したものに限定することを意味するものではない。
【００３２】
図１は、本発明を適用した固体撮像装置の一実施例の構成を示す側断面図である。本実施例の固体撮像装置の構成は、図６に示す従来の固体撮像装置の構成と基本的に同様であり、受光装置７の前段に配置されるレンズ１及び絞り２の構成が異なっている。
【００３３】
すなわち、本実施例の固体撮像装置においては、赤外線（第１の波長領域の光）及び可視光線（第２の波長領域の光）の両者を透過するZnS 等の部材からなるレンズ１が、図６に示す赤外線レンズ２０の配置位置に配置されている。また、レンズ１と、受光装置７の窓３（赤外線及び可視光線の両方を透過するZnS 等の部材からなる）との間には、赤外線を透過し、可視光線を遮光するSi等の部材からなる絞り２が配置されている。この絞り２の中央部には、その大きさが調節可能とされている開口部２Ａが設けられており、レンズ１を透過した可視光線のイメージセンサ８への入射強度を調節するようになされている。その他の構成は、図６に示す従来の固体撮像装置の構成と同様である。
【００３４】
図２及び図３は、光学材料の透明領域を説明する表（赤外線光学（赤外線技術研究会編；オーム社）より抜粋）である。本実施例においては、レンズ１及び窓３の部材として、波長が約３μｍ乃至５μｍの赤外線、及び波長が約０．４μｍ乃至０．７μｍの可視光線を透過するZnS （図３（ａ））を用いるようにしているが、その他に、図２（ａ）に示すアルカリハライド系の各光学材料、図２（ｂ）に示すアルカリ土類フロライドの各光学材料、図３（ａ）に示すダイヤモンド及びZnSe（いずれの部材も、赤外線及び可視光線を透過する）を用いるようにしてもよい。
【００３５】
さらに、本実施例においては、絞り２の部材として、波長が約３μｍ乃至５μｍの赤外線を透過し、波長が約０．４μｍ乃至０．７μｍの可視光線を遮光するSi（図３（ａ））を用いているが、その他に、図３（ａ）に示すGe，GaAs，CdTe及び図３（ｂ）に示すカルコゲナイドガラスの各光学材料（いずれの部材も、赤外線を透過し、可視光線を遮光する）を用いるようにしてもよい。
【００３６】
次に、本実施例の固体撮像装置の動作について説明する。
【００３７】
レンズ１は、図中、左側から入射した光線１２に含まれる赤外線及び可視光線を透過して集光する。レンズ１によって角度φA に集光された赤外線Ｘは、絞り２を透過する。また、可視光線は絞り２の開口部２Ａを通過するが、開口部２Ａ以外の位置では遮光される。すなわち、可視光線は、レンズ１及び絞り２によって角度φB に集光される（角度φB に集光された可視光線を可視光線Ｙとする）（角度φA＞角度φB）。なお、この開口部２Ａの大きさは、周囲の明るさ（イメージセンサ８に入射する可視光線の強度）に対応して、イメージセンサ８の受光部が可視光線成分によって飽和しないように（適正露光の画像を得ることができるように）調節される。
【００３８】
レンズ１及び絞り２によって、それぞれ、角度φA及び角度φBに集光された赤外線Ｘ及び可視光線Ｙは、赤外線及び可視光線を透過する部材からなる窓３を透過して、受光装置７の内部に入射する。また、Si等からなる絞り２は、それ自体が赤外線を放射することがないので、不所望な赤外線の受光装置７の内部への入射はない。コールドシールド４は、レンズ１によって角度φA に集光された赤外線Ｘ以外の赤外線（例えば、デュワ５から放射された赤外線）の、イメージセンサ８への入射を制限する開口部４Ａを有しており、受光装置７の内部に入射した赤外線Ｘ及び可視光線Ｙは、この開口部４Ａを通過してイメージセンサ８で結像する。
【００３９】
イメージセンサ８は、結像した赤外線Ｘの画像及び可視光線Ｙの画像を光電変換し、赤外線画像と可視光線画像を合成した電気信号を、図示せぬ出力端子から外部に出力する。
【００４０】
本実施例においては、赤外線及び可視光線を透過する部材によってレンズ１を形成し、さらに、赤外線を透過し、可視光線を遮光する部材（例えば、Si）からなる、可視光線の強度を調節する絞り２を設けるようにしたので、赤外線画像及び可視光線画像の両方を、同時かつ正確に得ることができる。
【００４１】
図４は、本発明を適用した固体撮像装置の他の実施例の構成を示す側断面図である。本実施例の固体撮像装置の構成は、図１に示す固体撮像装置の構成と基本的に同様であり、受光装置７の前段に配置されるミラー１３，１４の構成が異なっている。
【００４２】
すなわち、本実施例の固体撮像装置においては、赤外線を透過し、可視光線を遮光する部材（例えば、図３（ａ）に示すSi）からなる絞り２と受光装置７の間に、赤外線及び可視光線を反射するミラー１３及び１４が配置されている。凹型のミラー１３は、絞り２を通過した赤外線及び可視光線の光路上に配置されており（像の欠落を防ぐため）、上記赤外線及び可視光線を凸型のミラー１４に集光して反射するようになされている。なお、凹型のミラー１３は、その中央部に開口部１３Ａを備えている。凸型のミラー１４は、ミラー１３で反射、集光された光（赤外線及び可視光線）を、ミラー１３の中央部に形成されている開口部１３Ａを介して、受光装置７の内部に入射するように反射する。
【００４３】
なお、受光装置７の内部の構成は、図１に示す実施例の場合と同様であり、コールドシールド４に設けられている開口部４Ａは、ミラー１３で集光された赤外線以外の赤外線（例えば、デュワ５が放射する赤外線）のイメージセンサ８への入射を制限している。
【００４４】
次に、本実施例の固体撮像装置の動作について説明する。
【００４５】
光線１２に含まれている赤外線Ｘは、絞り２を透過し（開口部２Ａの部分においては通過し）、可視光線は、絞り２の中央部に形成されている開口部２Ａを通過する（開口部２Ａ以外の部分では遮光される）（開口部２Ａを通過した可視光線を可視光線Ｙとする）。
【００４６】
上述したように絞り２を透過または通過した赤外線Ｘと可視光線Ｙは、凹型のミラー１３で反射して、ミラー１４に進む（すなわち、凹型のミラー１３は、赤外線及び可視光線をミラー１４に集光する）。凸型のミラー１４は、ミラー１３で反射されて集光された赤外線Ｘ及び可視光線Ｙを、ミラー１３の中央部に形成されている開口部１３Ａを通過するように反射する。
【００４７】
上述したように、ミラー１３の開口部１３Ａは、絞り２を通過してミラー１３で反射した赤外線Ｘのすべてを通過させるような大きさとされているので、ミラー１４で反射した赤外線Ｘはもとより、絞り２によって入射範囲が絞られている可視光線Ｙも、この開口部１３Ａを通過する。
【００４８】
ミラー１３の開口部１３Ａを通過した赤外線Ｘ及び可視光線Ｙは、窓３（赤外線及び可視光線を透過する部材からなる）を透過して、受光装置７の内部に入射し、コールドシールド４の開口部４Ａをさらに通過して、イメージセンサ８で結像する。
【００４９】
イメージセンサ８は、結像した赤外線Ｘの画像及び可視光線Ｙの画像を光電変換して、赤外線画像と可視光線画像の合成画像の電気信号を外部に出力する。
【００５０】
本実施例においては、上述した絞り２が赤外線を透過し、可視光線を遮光する部材を用いて構成されているので、絞り２の中央部に形成されている開口部２Ａの大きさを調節することによって、赤外線の光量に影響を与えずに、可視光線の光量を調節することができ、赤外線画像と可視光線画像を、同時かつ正確に得ることができる。
【００５１】
図５は、本発明を適用した固体撮像装置の他の実施例の構成を示す側断面図である。本実施例の固体撮像装置の構成は、図１に示す固体撮像装置の構成と基本的に同様であり、受光装置７の内部の構成が異なっている。
【００５２】
すなわち、本実施例の固体撮像装置においては、所望の波長領域の赤外線と、少なくとも一部の波長領域の可視光線を透過するバンドパスフィルタ１５が、コールドシールド４の開口部４Ａの全面に形成されている。その他の構成は、図１に示す固体撮像装置の構成と同様である。
【００５３】
以下、可視光線を透過し、主に２μｍ付近の赤外線と可視光線の少なくとも一部を透過するような分光特性を有するバンドパスフィルタ１５を用いた場合の動作を説明する。
【００５４】
例えば、十分な量の水が入っている水槽をレンズ１の左側（すなわち、光線１２の入射側）に配置した場合（図示せず）、水は、２μｍ付近の波長の光（赤外線）を吸収するので、水槽の前段に配置される光源（図示せず）から照射され、水槽を介してレンズ１に到達する光線１２は、２μｍ付近の波長を含まないものとなる。従って、レンズ１によって角度φA に集光され、絞り２及び窓３を透過して、受光装置７の内部に入射する赤外線は、２μｍ付近の波長領域の欠如したものとになる。
【００５５】
また、本実施例においては、少なくとも一部の可視光線及び２μｍ付近の波長の赤外線を透過するバンドパスフィルタ１５が、コールドシールド４の開口部４Ａの全面に形成されている。従って、受光装置７の内部に入射した可視光線は、バンドパスフィルタ１５を透過して、イメージセンサ８で結像するが、受光装置７の内部に入射した赤外線は、２μｍ付近の波長領域以外の波長領域からなるので、バンドパスフィルタ１５を透過することができない。従って、イメージセンサ８は、結像した可視光線の画像を光電変換して、可視光線画像に対応する電気信号を外部に出力する。
【００５６】
本実施例の固体撮像装置を用いることによって、例えば、地上から雲の厚さ及び雲の形状を同時に検出することができる。
【００５７】
すなわち、上述した図示せぬ光源を太陽として、水の入った水槽を雲とする。太陽（光源）から照射された光が雲（水）に入射すると、雲の厚さ（水の量）に対応した量の、２μｍ付近の波長の赤外線が吸収される。また、可視光線は雲によって遮光される。従って、雲以外の位置を通って受光装置７の内部に入射した可視光線と、雲によって吸収されなかった２μｍ付近の波長領域の赤外線がバンドパスフィルタ１５を透過して、イメージセンサ８で結像する（２μｍ付近以外の赤外線は、雲に吸収されないが、バンドパスフィルタ１５に吸収される）。
【００５８】
イメージセンサ８は、この可視光線画像及び赤外線画像を合成した電気信号を出力する。すなわち、この可視光線画像から雲の形状を検出することができ、さらに赤外線画像から雲の厚さを検出することができる。
【００５９】
【発明の効果】
以上のように、本発明の固体撮像装置によれば、赤外線と、可視光線とに検出感度を有するイメージセンサの前段に、赤外線を透過し可視光線を遮光する部材からなり、可視光線のイメージセンサへの入射範囲を制限する可視光線用の絞りを配置し、また、可視光線用の絞りとイメージセンサの間に開口部を有する赤外線用の絞りで、開口部以外の赤外線を遮光して赤外線のイメージセンサへの入射を制限するようにしたので、赤外線及び可視光線を、同時かつ正確に検出することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明を適用した固体撮像装置の一実施例の構成を示す側断面図である。
【図２】光学材料の透明領域を説明する表である。
【図３】光学材料の透明領域を説明する表である。
【図４】本発明を適用した固体撮像装置の他の実施例の構成を示す側断面図である。
【図５】本発明を適用した固体撮像装置の他の実施例の構成を示す側断面図である。
【図６】従来の固体撮像装置の一構成例を示す側断面図である。
【符号の説明】
１  レンズ
２  絞り
２Ａ  開口部
３  窓
４  コールドシールド
４Ａ  開口部
５  デュワ
５Ａ  開口部
７  受光装置
８  イメージセンサ
９  コールドステージ
１０  スターリングクーラ
１１  空間
１２  光線
１３，１４  ミラー
１５  バンドパスフィルタ
２０  赤外線レンズ
【図１】
0003674012.tif 000002
【図２】
0003674012.tif 000003
【図３】
0003674012.tif 000004
【図４】
0003674012.tif 000005
【図５】
0003674012.tif 000006
【図６】
0003674012.tif 000007