(57)【要約】  改良型モノリシック・ソリッド・ステート・イメージャは、それぞれが異なる種類であるピクセルの複数のサブ・アレイ、カラー・フィルタおよび透明な要素を備える任意選択のフィルタ・モザイク、ならびにピクセルの出力を処理するための回路を備える。異なる種類のピクセルはそれぞれに異なるスペクトル範囲に応答する。異なる種類のピクセルは下記から選択することができ有利である：１）約８００〜１８００ｎｍの範囲にある短波長赤外線（ＳＷＩＲ）に応答するＳＷＩＲピクセル；２）可視光およびＮＩＲ放射（４００〜１０００ｎｍ）に応答する通常ピクセルならびに可視光、ＮＩＲおよびＳＷＩＲ放射に応答する広帯域ピクセル。
2009505577.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
入射放射に応答して電気信号を生成するためのアクティブ・ピクセルのアレイ、およびピクセルの出力を走査し、イメージに対応する信号に処理するための読出し回路を備えるアクティブ・ピクセル・イメージ・センサであって、
各アクティブ・ピクセルが光検出器および前記光検出器の出力を増幅するための回路を備え、
ピクセルの前記アレイが、その光検出器が第１のスペクトル範囲に応答する第１の複数ピクセルと、その光検出器が前記第１のスペクトル範囲と異なる第２のスペクトル範囲に応答する第２の複数ピクセルを備え、
前記第１の複数ピクセルおよび前記第２の複数ピクセルの各々が、同じ単結晶の半導体基板に一体となって統合されている光検出器を備え、
前記アレイの前記ピクセルが、実質上同じイメージをとらえるように配設および配置された複数のサブ・アレイを形成するために空間的に配置および連結されている、
アクティブ・ピクセル・イメージ・センサ。
【請求項２】
少なくとも１つのサブ・アレイの前記ピクセルが、前記第１のスペクトル範囲に応答し、少なくとももう１つのサブ・アレイの前記ピクセルが前記第１のスペクトル範囲とは異なる前記第２のスペクトル範囲に応答する請求項１に記載のイメージ・センサ。
【請求項３】
前記サブ・アレイの前記ピクセルが、前記イメージを別個に処理するために電気的に接続されている請求項１に記載のイメージ・センサ。
【請求項４】
前記サブ・アレイの前記ピクセルが、前記イメージを共同で処理するために電気的に接続されている請求項１に記載のイメージ・センサ。
【請求項５】
前記サブ・アレイの前記ピクセルが、共通イメージを処理するために異なるサブ・アレイを切替え可能に接続するように電気的に接続されている請求項１に記載のイメージ・センサ。
【請求項６】
前記アレイが、ピクセルの直線状の行および列である直交アレイを備える請求項１に記載のイメージ・センサ。
【請求項７】
前記サブ・アレイが、交互配置されたピクセルの行または列を備える請求項６に記載のイメージ・センサ。
【請求項８】
前記アレイが、ピクセル・グループの直線状の行および列である直交アレイを備え、各ピクセル・グループが各サブ・アレイからのピクセルを少なくとも１つ収納する請求項１に記載のイメージ・センサ。
【請求項９】
ピクセルの前記サブ・アレイの少なくとも１つが、１０００ナノメートルより大きな波長の赤外線放射に応答する１つまたは複数の光検出器を含む請求項１に記載のイメージ・センサ。
【請求項１０】
複数のサブ・アレイが、約８００〜１８００ナノメートルの範囲にある短波長赤外線放射に応答するピクセル（ＳＷＩＲピクセル）のサブ・アレイ、４００〜１０００ナノメートルの範囲にある可視光および近赤外線放射に応答するピクセル（通常ピクセル）のサブ・アレイ、ならびに約４００〜１８００ナノメートルの範囲にある可視光、近赤外線および短波長赤外線放射に応答するピクセル（広帯域ピクセル）のサブ・アレイから成るグループから選択される１つまたは複数のサブ・アレイを備える請求項１に記載のイメージ・センサ。
【請求項１１】
前記アレイで前記複数のアクティブ・ピクセルが、ゲルマニウムから成る光検出器を用いる請求項１に記載のイメージ・センサ。
【請求項１２】
前記アレイで前記複数のアクティブ・ピクセルが、単結晶ゲルマニウムから成る光検出器を用いる請求項１に記載のイメージ・センサ。
【請求項１３】
入力放射に応答して電気信号を生成するための光検出器ピクセルのアレイ、および前記ピクセルの出力を走査し、処理して前記出力をイメージに対応するデータに処理するための読出し回路を備えるソリッド・ステート・イメージ・センサであって、
前記ピクセルのアレイが、少なくとも２つのサブ・アレイを備え、各サブ・アレイが複数のピクセルから成り、前記２つのサブ・アレイそれぞれのピクセルが、放射の、異なるスペクトル範囲に応答し、
前記２つのサブ・アレイの１つが、４００〜１０００ナノメートルの範囲にある可視光および近赤外線放射に応答するピクセル（通常ピクセル）を備え、他方のサブ・アレイが、約８００〜１８００ナノメートルの範囲にある短波長赤外線放射に応答するピクセルを備える
ソリッド・ステート・イメージ・センサ。
【請求項１４】
経路内で入射放射と前記アレイのピクセルの間に配設されたカラー・フィルタと透明要素のモザイクをさらに備える請求項１３に記載のイメージ・センサ。
【請求項１５】
短波長放射に応答する前記ピクセルがゲルマニウムから成る光検出器を用いる請求項１３に記載のイメージ・センサ。
【請求項１６】
短波長放射に応答する前記ピクセルが、単結晶ゲルマニウムから成る光検出器を用いる請求項１３に記載のイメージ・センサ。
【請求項１７】
入力放射に応答して電気信号を生成するための光検出器ピクセルのアレイ、および前記ピクセルの出力を走査し、処理して前記出力をイメージに対応するデータに処理するための読出し回路を備えるソリッド・ステート・イメージ・センサであって、
前記ピクセルが一体となって同じシリコン半導体基板に統合され、
前記ピクセルのアレイが、少なくとも２つのサブ・アレイを備え、各サブ・アレイが複数のピクセルから成り、前記２つのサブ・アレイそれぞれの前記ピクセルが、放射の、異なるスペクトル範囲に応答する光検出器を有し、
前記２つのサブ・アレイの１つが、４００〜１０００ナノメートルの範囲にある可視光および近赤外線放射に応答するピクセル（通常ピクセル）を備え、他方のサブ・アレイが、約４００〜１８００ナノメートルの範囲にある可視光、近および短波長赤外線放射に応答するピクセルを備える、
ソリッド・ステート・イメージ・センサ。
【請求項１８】
経路内で入射放射と前記アレイのピクセルの間に配設されたカラー・フィルタと透明要素のモザイクをさらに備える請求項１７に記載のイメージ・センサ。
【請求項１９】
各サブ・アレイが、複数のピクセルから成り、異なるピクセルそれぞれが、放射の、少なくとも２つの異なるスペクトル範囲に応答する請求項１７に記載のイメージ・センサ。
【請求項２０】
各サブ・アレイが、４００〜１０００ナノメートルの範囲にある可視光および近赤外線放射から成る第１のスペクトル範囲に応答する少なくとも１つのピクセルと、約４００〜１８００ナノメートルの範囲にある可視光、近赤外線および短波長赤外線放射から成る、前記第１のスペクトル範囲とは異なる第２のスペクトル範囲に応答する少なくとも１つのピクセルを備える請求項１９に記載のイメージ・センサ。
【請求項２１】
経路内で入射放射と前記アレイのピクセルの間に配設されたカラー・フィルタと透明要素のモザイクをさらに備える請求項２０に記載のイメージ・センサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ソリッド・ステート・イメージ・センサに関し、具体的には、明るい昼光から闇夜にわたる広範囲の異なる照明条件に対して適応または調整することができるイメージ・センサに関する。
【背景技術】
【０００２】
関連出願への相互参照
本出願は、米国特許出願２件の一部継続出願であり、具体的にはＪ．Ｂｕｄｅ他によって２００３年６月３日に出願された米国特許出願番号第１０／４５３，０３７号（「活性領域欠陥を少なくし、独自の接触スキームをもつ半導体装置」）の一部継続出願（ＣＩＰ）であり、したがってＢｕｄｅ他によって２００２年１２月１８日に出願された米国仮特許申請第６０／４３４，３５９号の利点を請求するものである。本出願は、Ｃｏｎｏｒ  Ｓ．Ｒａｆｆｅｒｔｙ他によって２００４年１０月１３日に出願された米国特許申請番号第１０／９６４，２６６号（「イメージング・アレイに組み込まれた受信器光検出器を備える光受信器」）の一部継続出願（ＣＩＰ）であり、したがってＣ．Ｓ．Ｒａｆｆｅｒｔｙ他によって２００３年１０月１３日に出願された米国仮出願番号第６０／５１０，９３３号の利点を請求するものである。前述の出願（１０／４５３，０３７；６０／４３４，３５９；１０／９６４，２６６および６０／５１０，９３３）は全て参照として本明細書に組み込まれる。
【０００３】
政府の権益
アメリカ合衆国政府はＮＳＦアワードＤＭＩ−０４５０４８７に従って本発明に一定の権利を有する。
ソリッド・ステート・イメージ・センサ（「イメージャ」）は、職業上のおよび消費者用のビデオおよび静止画像写真、安全および保安のための遠隔監視、天文学およびマシン・ビジョンを含む多岐にわたる用途で重要である。不可視光、例えば赤外線に応答するイメージャは、暗視、カモフラージュ検出、見えない天文学、美術品保存、医療診断、氷検出（路上および航空機上でのように）、および製薬を含むその他いくつかの用途で使用される。
【０００４】
一般的なイメージ・センサは、２次元の光検出器のアレイ（焦点面アレイと呼ばれる）を読出し集積回路（ＲＯＩＣ）と組み合わせて備えている。光検出器は入力放射に対して応答する。ＲＯＩＣは、光検出器からの出力を走査し定量的に評価しそれらを処理してイメージにする。異なるタイプの放射に応答するイメージャの能力は光検出器のスペクトル応答によって決まる。
【０００５】
図１は、一般的な従来型ＣＭＯＳシリコン・イメージャ１０の概略ブロック図であり、おおよその物理的レイアウトである。イメージャ１０は、単一のシリコン・ダイ上に有利に実装されたピクセル１２のｎ行×ｍ列のアレイ１１を備えている。各ピクセル１２は、光検出器プラス多重化回路を収納している。それは、任意選択で信号増幅および処理回路（ピクセル成分図示せず）を含むことができる。各シリコン光検出器は、入射可視光および入射近赤外線放射（ＮＩＲ）に応答する。各ピクセルは、決められた集積期間内に光検出器に蓄積された入射可視光およびＮＩＲ線に比例する出力信号を発生する。
【０００６】
１つの行内のピクセル１２は全て、行マルチプレクサ１４によって生成された一連の行信号によって制御される。行マルチプレクサは、ピクセル内で、ピクセルのリセットおよび集積期間の長さを含む行アドレスおよびタイミング機能を実行する回路を含む。１つの行内のピクセルは全て、同時に列バス１５上に出力するが、異なる行内のピクセルは異なる時間に出力することができる。このスタガリングによって列内のピクセルは、列バス１５を共有することが可能になり、それらの出力信号を一度に一列ずつ順次列バス上に多重送信する。
【０００７】
１つの列内のピクセル１２は全て、それらの出力信号を列バス１５を経由して列マルチプレクサ１７に送る。ピクセルの出力信号は、列マルチプレクサ１４からの制御信号に応答して列バスに多重送信される。列マルチプレクサ内の回路（図示せず）は、増幅、ノイズ・リダクション、および所定のビデオまたはイメージ・フォーマット、例えば標準ＴＶビデオ・シーケンスへの多重化、を含むいくつかの機能を実行することができる。
【０００８】
列マルチプレクサ１７によって生成されたビデオまたはイメージ信号は、イメージ信号プロセッサ１８によってさらに処理されてイメージを再編成し、改良し、強化することができる。例えば、イメージ信号プロセッサは、イメージの縁部を検出し、強調することもある。または、プロセッサ１８は、集積期間を変更する制御信号によってイメージの平均強度を調整することもある。例示的な従来式イメージャの構造および動作についてのさらなる詳細は、Ａｃｋｌａｎｄ他、“Ｃａｍｅｒａ  ｏｎ  ａ  Ｃｈｉｐ”、ＩＥＥＥ  Ｉｎｔ．Ｓｏｌｉｄ−Ｓｔａｔｅ  Ｃｉｒｃｕｉｔｓ  Ｃｏｎｆ．１９９６年２月、ｐｐ２２〜２５で見ることができる。その記事は、参照として本明細書に組み込まれている。
【０００９】
イメージャ１０は、ピクセル・アレイ一面にカラー・フィルタをモザイク配設することによってカラー・イメージャを設けるように適応させることができる。図２が一般的なカラー・フィルタ２２Ｒ、２２Ｇ、および２２Ｂ（それぞれ赤、緑および青）のモザイク・アレイ２０を図示している。モザイク・アレイ２０は、ｎ行×ｍ列の赤、緑および青色のカラー・フィルタのアレイとすることができ、各カラー・フィルタが正確に１つのピクセル１２を覆うようにピクセル・アレイ１１を覆って配置される。
【００１０】
図２に示す特定のモザイクはカラー・フィルタを良く知られているベイヤー・パターンで分布させる。モザイクの各２×２の部分は緑フィルタ２個、赤フィルタ１個、青フィルタ１個から成る。モザイクが適正位置にあると各ピクセルは１つの色、赤、緑または青にだけ応答する。ピクセルの信号値を読み取って各ピクセル位置に対する赤、緑および青の値を生成し、それによってカラー・イメージを生成するためにイメージ・プロセッサ１８内の回路を使用することができる。例示的なカラー・イメージャに関するさらなる詳細は、１９７６年にＢ．Ｂａｙｅｒに対して発行された米国特許第３，９７１，０６５号（カラー画像化アレイ）に見ることができる。尚、その特許は参照として本明細書に組み込まれている。
【００１１】
従来型イメージャは、最新の電子工学を使用して鮮明な照明条件の下で高品質のイメージを生成することができるが、昼光から夕暮れ、夜に変化するような広範囲に変化する照明条件に対して適応可能であるとは立証されていない。また、イメージャは、その他のスペクトル・バンドで感度が必要である用途に対しては容易に適応することができない。図１に示すような従来型イメージャは、一種類の放射だけに応答するほとんど同一のピクセルから成っている。例えば、シリコン・ピクセルの或るアレイは可視光およびＮＩＲ線だけに応答する。
【００１２】
個々のピクセルのスペクトル応答をさらに制限することによってイメージャの出力を高めるためにカラー・フィルタを使用することができる。この出力の増加は感度を犠牲にして行われる。カラー・フィルタのモザイクで、例えば、従来型シリコン・イメージャは、高水準照明の下でカラー・イメージを生成することができるが、中程度の微光に対しては感度の低下およびノイズの増加を示し、したがって夕暮れまたは月夜には不適である。
黒白のシリコン画像化アレイ、つまりカラー・フィルタ・モザイクを伴わないものを使用して低ノイズの黒白イメージ（例えばグレイスケール・イメージ）を得ることができる。しかしさらに低いレベルの照明の下では、例えば闇夜の下では検出可能なスペクトル域内で光が不足するためにシリコン・アレイの黒白イメージでもノイズが高くなる。また、このようなイメージャは、例えば氷検出の用途で必要であるはずの近赤外（ＳＷＩＲ）放射の検出ができない。
【特許文献１】Ｊ．Ｂｕｄｅ他により２００３年６月３日に出願された米国特許出願番号第１０／４５３，０３７号（「活性領域欠陥を少なくし、独自の接触スキームをもつ半導体装置」）
【特許文献２】Ｂｕｄｅ他によって２００２年１２月１８日に出願された米国仮特許申請第６０／４３４，３５９号
【特許文献３】Ｃｏｎｏｒ  Ｓ．Ｒａｆｆｅｒｔｙ他によって２００４年１０月１３日に出願された米国特許申請番号第１０／９６４，２６６号（「イメージング・アレイに組み込まれた受信器光検出器を備える光受信器」）
【特許文献４】Ｃ．Ｓ．Ｒａｆｆｅｒｔｙ他によって２００３年１０月１３日に出願された米国仮出願番号第６０／５１０，９３３号
【非特許文献１】Ａｃｋｌａｎｄ他、“Ｃａｍｅｒａ  ｏｎ  ａ  Ｃｈｉｐ”、ＩＥＥＥ  Ｉｎｔ．Ｓｏｌｉｄ−Ｓｔａｔｅ  Ｃｉｒｃｕｉｔｓ  Ｃｏｎｆ．１９９６年２月、ｐｐ２２〜２５
【特許文献５】１９７６年にＢ．Ｂａｙｅｒに対して発行された米国特許第３，９７１，０６５号（カラー画像化アレイ）
【特許文献６】米国特許出願番号第１０／４５３，０３９号
【非特許文献２】Ｈｅｎｋｅｒ，Ｓ他、“Ｃｏｎｃｅｐｔ  ｏｆ  Ｃｏｌｏｒ  Ｃｏｒｒｅｃｔｉｏｎ  ｏｎ  Ｍｕｌｔｉ−ｃｈａｎｎｅｌ  ＣＭＯＳ  Ｓｅｎｓｏｒｓ”Ｐｒｏｃ．ＶＩＩｔｈ  Ｃｏｎｆ．Ｄｉｇｉｔａｌ  Ｉｍａｇｅ  Ｃｏｍｐｕｔｉｎｇ：Ｔｅｃｈｎｉｑｕｅｓ  ａｎｄ  Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ、２００３年１２月、Ｓｙｄｎｅｙ、ｐｐ７７１〜７８０
【非特許文献３】Ｓｃｒｉｂｅｒ，Ｄ他“Ｍｅｌｄｉｎｇ  Ｉｍａｇｅ  ｆｏｒ  Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ”ＳＰＩＥ  ＯＥ  Ｍａｇａｚｉｎｅ、２００２年９月、ｐｐ．２４〜２６
【特許文献７】特許出願第１０／９６４，０５７号
【非特許文献４】Ｂａｉ，Ｙ他による“Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ  ｏｆ  ｈｙｂｒｉｄ  ＣＭＯＳ  ｖｉｓｉｂｌｅ  ｆｏｃａｌ  ｐｌａｎｅ  ａｒｒａｙｓ  ａｔ  Ｒｏｃｋｗｅｌｌ”、Ｐｒｏｃ．ＳＰＩＥ、Ｖｏｌ．４０２８、ｐ．１７４〜１８２
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
したがって、異なる用途に対するニーズを満足させるために色々なスペクトル・バンドで感度を示すことができ、明るい太陽光から闇夜までに及ぶ広範な照明条件の下で高品質のイメージをもたらすこともできる改良型ソリッド・ステート・イメージ・センサが必要とされている。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
本発明によれば、改良型モノリシック・シリコン・ソリッド・ステート・イメージャは、複数の、それぞれに異なっている種類のピクセルのサブ・アレイ、カラー・フィルタおよび透明な要素を備える任意選択のフィルタ・モザイク、ならびにピクセルの出力を処理する回路を備える。本明細書で言及するピクセルは、好ましくはアクティブ・ピクセルであり光検出器およびその光検出器の出力を増幅するための回路の両方を備える。異なる種類のピクセルはそれぞれ異なるスペクトル域に応答する。異なる種類のピクセルは、下記から選択することができ有利である：１）その下限値が約７００と約１０００ｎｍの間にあり、その上限値が約１６００と約２５００ｎｍの間にある範囲内の短波長赤外線（ＳＷＩＲ）に応答するＳＷＩＲピクセル、２）可視光およびＮＩＲ線（４００〜１０００ｎｍ）に応答する通常ピクセルならびに３）可視光、ＮＩＲおよびＳＷＩＲ線に応答する広帯域ピクセル。
【００１５】
異なる種類のピクセルは、共通アレイ内でサブ・アレイとして、各サブ・アレイが基本的に同じ場面の異なるスペクトル・イメージをとらえるように配設され、有利である。任意選択のフィルタ・モザイクは、それが画像化アレイ上に配置されるとき異なるピクセルの種類と異なるフィルタ要素の組合せが、多様な画像化オプションを生成することができる複数のサブ・アレイを創り出すように設計されている。１つの実施形態では、カラー・フィルタが通常ピクセルを有利に覆って昼光下でカラー画像をもたらし、一方で透明な要素がＳＷＩＲピクセルおよび／または広帯域ピクセルを覆って夜間性能を高める。或いは透明な要素が、夕暮れにおける性能を高めるため通常ピクセルを覆うこともある。
【００１６】
電子機器が異なる照明条件および異なる用途に適応可能であり有利である。電子機器は、高いレベルの照明を検出するとカラー・フィルタで覆われた通常および広帯域ピクセルの出力を選択的に処理してカラー・イメージを生成することができる。低いレベルの照明の下では、それは、透明の要素に覆われた通常、ＳＷＩＲおよび／または広帯域ピクセルの出力を選択的に処理して改良された信号対ノイズ比を伴う黒白イメージを生成することができる。ＳＷＩＲ感度を必要とする用途、例えば氷または水の検出に対しては電子機器は、ＳＷＩＲ、通常および広帯域ピクセルの或る組合せの出力を選択的に処理してその用途が必要とする特定のスペクトルおよび／または空間的情報を明らかにすることができる。
【００１７】
本発明の利点、本質およびさまざまなさらなる特徴は、添付図面と一緒にここに詳細に説明しようとする説明に役立つ例示的実施形態を良く考えればより完全になろう。
これらの図面は本発明の概念を図示するものでノン・スケールであることを理解されたい。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
図面を参照すると、図３Ａは、通常ピクセル１２および広帯域ピクセル３２Ａのサブ・アレイをそれぞれ使用する適応可能なソリッド・ステート・イメージャ３０の第１の実施形態を図示している。図３Ａに示す画像化アレイは、通常のシリコン・ピクセル１２の一部が広帯域ピクセル３２Ａ（可視光および短波長赤外線放射に応答するピクセル）に交換されていることを除き図１に示すものと同様である。図３Ａに示す具体的な実施形態ではピクセルの正確に半分は通常ピクセル１２でありピクセルの半分は広帯域ピクセル３２Ａであり、その２つの異なる種類のピクセルが交互する列に配置されている。ｎ×ｍのアレイは、第１のサブ・アレイが全て通常ピクセル１２から成り、第２のサブ・アレイが全て広帯域ピクセル３２Ａから成る交互配置された２つのｎ×ｍ／２サブ・アレイと見ても良い。その２つのサブ・アレイは、ほぼ同じ空間を占めており、一方がピクセル１つのサイズ分だけもう一方から水平方向に移動している。イメージャ３０上にイメージが結ばれるとき、その２つのサブ・アレイを使用して実質的に同じ場面であるものの２つの別個のイメージをとらえることができる。
【００１９】
図１に示す列マルチプレクサ（１７）は２つの列マルチプレクサ３７Ａ、３７Ｂに交換されている。通常ピクセル１２を収納するこれらの列からの列バス・ワイヤ３５Ａは列マルチプレクサ３７Ａに接続している。広帯域ピクセル３２Ａを収納するこれらの列からの列バス・ワイヤ３５Ｂは、列マルチプレクサ３７Ｂに接続している。
各サブ・アレイ列のマルチプレクサ３７Ａ、３７Ｂはそれ自体のｎ×ｍ／２イメージを生成する。イメージ信号プロセッサを使用して、当業者に良く知られている補間法を使うことにより、任意選択で各イメージをｎ×ｍの解像度に戻すことができる。第１のサブ・アレイ内のピクセル１２は、可視光およびＮＩＲ放射に応答しＳＷＩＲ放射には応答しないので、列マルチプレクサ３７Ａは、通常イメージと命名された、可視光プラスＮＩＲイメージを生成する。第２のサブ・アレイ内のピクセル１２は広帯域放射に応答するので、列マルチプレクサ３７Ｂは広帯域イメージを生成する。シリコン光検出器の低ノイズおよび低暗電流特性が卓越しているので、イメージ化される場面が、例えば昼間または夕暮れにおける照明の下で発生するように可視光およびＮＩＲ放射によって主に照明されるとき、通常イメージは優れたイメージ品質を与える。イメージ化される場面が、例えば闇夜における照明の下で発生するようにＳＷＩＲ放射によって主に照明されるとき、第２のサブ・アレイは優れたイメージ品質を与える。イメージ信号プロセッサは、外部制御信号によりどちらのイメージを使用するか選択することができる。或いは、イメージ信号プロセッサは、相対的な信号対ノイズ比のある測定量、例えば各イメージの相対的な強度によりどのイメージを使用するか選択することができる。或いは、イメージ信号プロセッサは、２つのイメージを組み合わせてより大きな解像度をもたらし、または信号対ノイズ比をさらに改良することができる。
【００２０】
図３Ｂは、図３Ａの実施形態の改変形態を示しており、ＳＷＩＲピクセル３２Ｂが広帯域ピクセル３２Ａを置き換えている。ＳＷＩＲピクセルはＳＷＩＲ放射だけに応答する。この交換は、微光状態の下では感度を下げてしまうが、列マルチプレクサ３７Ｂが広帯域イメージよりもＳＷＩＲイメージを生成することを可能にする。この置換は、可視光とＳＷＩＲイメージの間の違いを処理する必要がある用途、例えば氷およびカモフラージュの検出で有用である。
【００２１】
通常ピクセルおよび広帯域またはＳＷＩＲピクセルの上述の構成ならびに関連する回路および接続は、当技術分野で良く知られている技術に従ってシリコンのような結晶構造半導体基板に有利に統合されている。通常ピクセルは、参照として本明細書に組み込まれている、Ａｃｋｌａｎｄ他、“Ｃａｍｅｒａ  ｏｎ  ａ  Ｃｈｉｐ”、ＩＥＥＥ  Ｉｎｔｌ．Ｓｏｌｉｄ−Ｓｔａｔｅ  Ｃｉｒｃｕｉｔｓ  Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ、１９９６年２月、ｐｐ２２〜２５で説明されている３−Ｔピクセルのようなシリコン・ピクセルであり有利である。広帯域ピクセルは、ゲルマニウム・オン・シリコン・ピクセルであり有利であり、参照として本明細書に組み込まれている米国特許出願番号第１０／４５３，０３９号で説明されているようにシリコン基板と統合されたゲルマニウムの光検出器およびシリコン回路を備える。ＳＷＩＲピクセルは、ＳＷＩＲ放射を通過させるが可視光線はブロックするフィルタ要素と共にゲルマニウム・オン・シリコンの広帯域ピクセルを備え有利である。
【００２２】
図３Ａおよび３Ｂに示す２つの列マルチプレクサ３７Ａ、３７Ｂは、単一列マルチプレクサと交換することができ、そのマルチプレクサ内で、通常と広帯域またはＳＷＩＲイメージとの分離が当業者に良く知られた技術を使用して列マルチプレクサ内部の回路によって実行されることに留意されたい。
【００２３】
図４は、図５に示すカラー・フィルタ・モザイク５０と共に使用することができる適応可能なイメージ・センサ４０の第２の実施形態を示す。この場合、図１の従来型装置の一部の通常ピクセル１２は、広帯域ピクセル４２（可視光、ＮＩＲおよびＳＷＩＲ放射に応答する）と交換されている。図４に示す具体的な実施形態では、正確に４分の１のピクセルが広帯域ピクセル４２から成る。ピクセル（１２、４２）が図５のカラー・フィルタ・モザイクで覆われるとき、各広帯域ピクセル４２は透明な要素２２Ｃで覆われるが、通常ピクセルは赤、緑または青のフィルタ（２２Ｒ、２２Ｇ、２２Ｂ）で覆われる。ｎ×ｍアレイは２つの交互に配置されたサブ・アレイと見ることができる。第１は、全体が広帯域ピクセル４２から成るｎ／２×ｍ／２のサブ・アレイであり、その広帯域ピクセルは透明な要素２２Ｃを通してフィルタされない放射を受ける。第２は、ピクセル・グループのｎ／２×ｍ／２のサブ・アレイであり、その中で各ピクセル・グループが、それぞれ赤、緑および青のフィルタ（２２Ｒ、２２Ｇ、２２Ｂ）で覆われた通常ピクセル１２を正確に各１つ収納する。２つのアレイはほぼ同じ空間を占めているので、実質的に同じ場面の２つの別個のｎ／２×ｍ／２のイメージをとらえるのに使用することができる。
【００２４】
この実施形態では、サブ・アレイ・マルチプレクサ４６を使用してピクセル出力を分離し、アクセスされる行に従ってそれらを２つの別個の列マルチプレクサ４７Ａ、４７Ｂに送る。行マルチプレクサからの制御信号がサブ・アレイ・マルチプレクサ４６の動作を制御する。例えば、偶数行ピクセルがその出力信号を列バス・ワイヤに送り出すとき、サブ・アレイ・マルチプレクサは全信号をマルチプレクサ４７Ａに送る。奇数行ピクセルがその出力信号を列バス・ワイヤに送り出すとき、サブ・アレイ・マルチプレクサは偶数列からの信号をマルチプレクサ４７Ｂに送り、奇数列からの信号をマルチプレクサ４７Ａに送る。
【００２５】
したがって、列マルチプレクサ４７Ａは、広帯域ピクセル４２からの信号を処理し、列マルチプレクサ４７Ｂは、カラー・フィルタがかかった通常ピクセル１２からの信号を処理する。図３に対して説明されたものに同様の技術を使用して各列マルチプレクサは、その入力ピクセルからの信号を合成してｎ／２×ｍ／２のイメージを形成する。列マルチプレクサ４７Ａの出力はｎ／２×ｍ／２の黒白イメージになり、そのイメージは、カラー・フィルタが存在せず、検出器の応答が広帯域でありＳＷＩＲ帯に及ぶので、高い感度および良い信号対ノイズ比を有する。それは、例えば、闇夜に発生することもあるような非常な微光条件の下でも高品質のイメージをもたらす。列マルチプレクサ４７Ｂの出力は、各イメージの位置での赤、緑および青の値をもつｎ／２×ｍ／２のカラー・イメージになる。それは、例えば昼光で発生するような高い照明条件の下で良い信号対ノイズ比をもたらす。
【００２６】
通常ピクセルならびに関連する回路および接続の上記構成は、シリコンまたはエピタキシャル成長させたゲルマニウムをもつシリコンのような単結晶構造半導体基板に有利に統合されている。通常ピクセルは前記３−Ｔピクセルであり有利であり、広帯域ピクセルは前記ゲルマニウム・オン・シリコン・ピクセルであり有利である。
イメージ信号プロセッサ１８を使用して、いずれかのイメージの解像度をｎ×ｍに復元することができる。さらに、イメージ信号プロセッサは、２つのサブ・アレイからの信号を合成し、例えば、Ｈｅｎｋｅｒ，Ｓ他“Ｃｏｎｃｅｐｔ  ｏｆ  Ｃｏｌｏｒ  Ｃｏｒｒｅｃｔｉｏｎ  ｏｎ  Ｍｕｌｔｉ−ｃｈａｎｎｅｌ  ＣＭＯＳ  Ｓｅｎｓｏｒｓ”Ｐｒｏｃ．ＶＩＩｔｈ  Ｃｏｎｆ．Ｄｉｇｉｔａｌ  Ｉｍａｇｅ  Ｃｏｍｐｕｔｉｎｇ：Ｔｅｃｈｎｉｑｕｅｓ  ａｎｄ  Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ、２００３年１２月、Ｓｙｄｎｅｙ、ｐｐ７７１〜７８０に説明されているような、知られている技術を使用することによってカラー・イメージの色の忠実度を高めることができる。或いは、イメージ・プロセッサは、広帯域ピクセルを使用して、他のカラー可視イメージ内の赤外線エネルギの存在を識別する擬似カラー・イメージを生成することができる。Ｓｃｒｉｂｅｒ，Ｄ他による“Ｍｅｌｄｉｎｇ  Ｉｍａｇｅ  ｆｏｒ  Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ”ＳＰＩＥ  ＯＥ  Ｍａｇａｚｉｎｅ、２００２年９月、ｐｐ．２４〜２６を参照のこと。
【００２７】
適応可能なイメージャ６０の第３の実施形態が図６および７に示されている。ここでは、微光感度を改善するために広帯域ピクセル６２のサイズが広げられている。この場合、ｎ×ｍアレイはｎ／２×ｍ／４アレイのピクセル・グループと見ることができる。各ピクセル・グループは、サイズが２×２ピクセル単位である広帯域ピクセル６２を１つ収納し感度を向上させている。拡張広帯域ピクセルは拡張透明フィルタ要素７２Ｃ（図７）によって覆われている。ピクセル・グループは、単位サイズの通常ピクセル１２の２×２アレイも収納している。それらの１つは赤フィルタ２２Ｒによって覆われ、１つは緑フィルタ２２Ｇによって、１つは青フィルタ２２Ｂによって、１つは透明の要素２２Ｃによって覆われている。サブ・アレイ・マルチプレクサ６６を使用して広帯域ピクセルの出力を列マルチプレクサ６７Ａに向け、通常ピクセルの出力を列マルチプレクサ６７Ｂに向ける。各広帯域ピクセル６２が行アドレス・マルチプレクサから行信号２セットを受けることに留意されたい。ピクセルの動作を制御するためにこれらのうちの第１のものだけが使用される。それは、同じピクセル・グループの部分である通常ピクセルの第１の行に渡される。行信号の第２のセットは広帯域ピクセルによって使用されず、単に同じピクセル・グループ内で通常ピクセルの第２の行に渡される。
【００２８】
列マルチプレクサ６７Ａは、ｎ／２×ｍ／４の広帯域イメージを生成するが、そのイメージは、非常な微光状態で使用するためのもっと大きな広帯域ピクセルゆえに感度が向上している。列マルチプレクサ６７Ｂは、各イメージ位置での赤、緑、青および白の値をもつｎ／２×ｍ／４のイメージを生成する。
【００２９】
イメージ信号プロセッサは、各ピクセル・グループからの白値だけを使用することによってｎ／２×ｍ／４の黒白イメージを生成するために列マルチプレクサ６７Ｂを使用することができる。例えば、月夜に発生するようにほとんどの利用可能な放射が可視光およびＮＩＲ帯域内にあるときには、これが微光状態の下で高い信号対ノイズ比をもたらす。イメージ信号プロセッサは、各イメージ位置での４つの通常ピクセル全てからの出力を使ってカラー・イメージを生成するために列マルチプレクサ６７Ｂの出力も使用することができる。したがって、イメージ信号プロセッサからの出力のこともあるイメージが下記のように３つある：広帯域白黒イメージ、可視光およびＮＩＲ黒白イメージならびにカラー・イメージ。再度、良く知られた補間法を使用してこれら各々３つのイメージの解像度を例えばｎ×ｍに増加させるためにイメージ信号プロセッサ１８を使用することができる。イメージ信号プロセッサは、総合的なイメージ強度または何らかのイメージ品質測定値に基づいて見るのに最善のイメージを選択するために使用することもできる。或いは、イメージ・プロセッサは、カラー・イメージを使用して黒白イメージの１つに一定限度量の色情報を加えることができる。カラー・イメージでより高い信号対ノイズ比を生成させた照明条件の下ではさらなる色情報が付け加えられるはずである。或いは、イメージ信号プロセッサは、列マルチプレクサ６７Ａおよび６７Ｂの出力を組み合わせて他の可視光線カラー・イメージで赤外線エネルギの存在を識別する擬似カラー・イメージを生成することができる。
【００３０】
本明細書に説明するイメージ・センサを対合させる好ましい方法は、シリコン基板上に統合された読出し回路と共にそれらをシリコンおよびゲルマニウム・オン・シリコン光検出器として組み立てることである。通常の光検出器ならびに読出し回路は、当技術分野で良く知られる技術によって製造することができる。広帯域光検出器は、シリコン基板と統合されたゲルマニウムの感光性要素およびシリコン読出し回路を形成することによって製造することができる。
【００３１】
先ず、良く知られたシリコン・ウェーハ製造技術を使用してシリコン基板上にシリコン・トランジスタを製造する。続いて、エピタキシャル成長によってシリコンに重ねてゲルマニウム要素を形成する。ゲルマニウム要素は、誘電体クラッディングの表面開口内に有利に成長させられる。要素にウェーハ製造技術を適用し、絶縁されたゲルマニウム・フォトダイオードを形成する。ゲルマニウム処理に必要な温度はシリコン処理のためのものより低いのでゲルマニウム・デバイスの形成はその前に形成されたシリコン・デバイスに影響を与えないで済む。次いで絶縁層および金属層が蒸着され、パターン化されてシリコン・デバイスを相互接続し、ゲルマニウム・デバイスをシリコン回路に接続する。このようにしてゲルマニウムの要素は、エピタキシャル成長によってシリコンに統合され、共通の金属層によってシリコン回路に統合される。
【００３２】
各画素つまりピクセルでゲルマニウム要素が入射照明光を電気信号に変換する。ピクセルの所にある回路がゲルマニウム要素からの信号を検出し増幅する。各ピクセルの出力を読み出し、一義的に識別するために、行および列アドレス回路によってピクセルが読まれる。このようにして、イメージがアレイから読み出される。ゲルマニウムは、可視光から波長約１．８μｍまでの赤外線にわたって感光性があるので可視光および赤外線イメージの両方を形成することができる。各ピクセルからの信号は、外部送出される前にアナログ電流または電圧からデジタル値に変換されることもある。こうして変換すれば信号の劣化が最小限になる。好ましい実施形態では、各ゲルマニウム・ピクセルは、シリコン上で誘電体表面クラッディング内に小さな結晶構造のアイランドとしてエピタキシャル成長で形成される。さらなる詳細は、本明細書に参照として組み込まれている同時係属の特許出願第１０／４５３，０３７号および第１０／９６４，０５７号に説明されている。
【００３３】
ＳＷＩＲピクセルは、ＳＷＩＲ放射を通過させるが可視光線をブロックするフィルタを広帯域ピクセル頂部上に配置することによって製造することができる。このフィルタは、直接広帯域ピクセルに適用すること、または以前に説明したようにカラー・モザイク・オーバーレイの部分として組み込むことができる。
【００３４】
記述した３つの実施形態は、ＳＷＩＲ、広帯域および通常ピクセルを２次元のアレイに結合し、さらに、異なる照明条件および用途に対して最適化された一連のイメージを生成するために任意選択のカラー・フィルタ・モザイクと結合することができる異なる方途を説明しようとするものである。当業者ならばその他の用途では、別のピクセル・サイズおよび別のレイアウト・パターンを使用したその他の構成がより良い性能をもたらすこともあることを理解されよう。図３Ａおよび３Ｂに示すアレイは、広帯域またはＳＷＩＲと通常ピクセルを、図示されている直交して交互配置されたパターンの代わりに斜め模様のチェッカー・ボード様パターンに交互配置することによって実装し、水平および垂直の線が支配的である場面で画像のぎざぎざを減少させることができる。別の例として、図６および７に示すアレイは、各ピクセル・グループ内部の２×２の通常ピクセル・アレイ上に緑フィルタ２つ、赤フィルタ１つおよび青フィルタ１つを有するベイヤー様のパターンを使用して実装することができる。こうすれば低可視光線感度を減少させる対価としてより良いカラー解像度が可能になる。ＳＷＩＲ、広帯域ピクセルおよび通常ピクセルの交互配置したアレイを図１に示すもの以外の読出し技術と共に使用することもできる。例えばＣＣＤベースのシリアル読出しを使用して個々のピクセル値をイメージ信号プロセッサに送ることができる。読出し技術を同じダイに収納する必要さえない。ＳＷＩＲ、広帯域および通常の光検出器のアレイは、ピクセル処理回路を収納する別個のダイに、例えばＢａｉ，Ｙ他による“Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ  ｏｆ  ｈｙｂｒｉｄ  ＣＭＯＳ  ｖｉｓｉｂｌｅ  ｆｏｃａｌ  ｐｌａｎｅ  ａｒｒａｙｓ  ａｔ  Ｒｏｃｋｗｅｌｌ”、Ｐｒｏｃ．ＳＰＩＥ、Ｖｏｌ．４０２８、ｐ．１７４〜１８２で説明されている良く知られた技術を使用してバンプ接着することができる。
【００３５】
ここで、１つの態様では本発明が入射放射に応答して電気信号を生成するための光検出器ピクセルのモノリシック・シリコン・アレイ、およびピクセルの出力を走査し、イメージに対応する信号に処理するための読出し回路を備えるソリッド・ステート・アクティブ・ピクセル・イメージ・センサであることを理解することができる。各アクティブ・ピクセルは光検出器およびその光検出器の出力を増幅するための回路を備える。ピクセルのアレイは、その光検出器が第１のスペクトル範囲に応答する第１の複数ピクセル、およびその光検出器が第１のスペクトル範囲とは異なる第２のスペクトル範囲に応答する第２の複数ピクセルを備える。第１の複数ピクセルおよび第２の複数ピクセル、ならびに各々に関連する回路は一体になって同じ単結晶半導体基板に統合されている。アレイのピクセルは空間的に配置および連結され、実質上同じイメージをとらえるように配設および配置された複数のサブ・アレイを形成する。
【００３６】
１つの実施形態では、少なくとも１つのサブ・アレイのピクセルが第１のスペクトル範囲に応答し、少なくとももう１つのサブ・アレイのピクセルが第１のものと異なる第２のスペクトル範囲に応答する。個々のサブ・アレイを使用してイメージ信号を別個に処理することができるように、または複数サブ・アレイを使用してイメージ信号を共同で処理することができるようにサブ・アレイのピクセルを電気的に接続することができる。ピクセルは、電気的に接続することができ、それによってどのサブ・アレイを使用するかが切替え可能に制御することができる。
【００３７】
１つの例示的実施形態では、１つのサブ・アレイは、４００〜１０００ナノメートルの範囲にある可視光および近赤外線放射に応答する通常ピクセルを備え、他のサブ・アレイは可視光、ＮＩＲおよびＳＷＩＲ放射に応答する広帯域ピクセルを備える。または、改変形態では広帯域ピクセルを、約８００〜１８００ナノメートルの範囲にある短波長赤外線放射に応答するＳＷＩＲピクセルに交換することができる。
他の態様では、各サブ・アレイは複数のピクセルから成り、その異なるピクセルがそれぞれ放射の少なくとも２つの異なるスペクトル範囲に応答する。例示的な実施形態は、各アレイで少なくとも１つの広帯域ピクセルおよび少なくとも１つの通常ピクセルを用いている。
【００３８】
上記の実施形態は、本発明の適用を表現することができる多くの実施形態のほんのわずかのみを説明していることを理解されたい。当業者により、本発明の精神および範囲を逸脱することなく多数かつ多様なその他の構成を実施することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３９】
【図１】従来型ソリッド・ステート・イメージ・センサの概略ブロック図およびおおよその物理的レイアウト図である。
【図２】図１のセンサと一緒になって役立つ、一般的なカラー・フィルタのモザイク・アレイを図示する図である。
【図３Ａ】本発明の第１の実施形態による、関連する適応可能なソリッド・ステート・イメージ・センサの概略ブロック図である。
【図３Ｂ】本発明の第１の実施形態による、関連する適応可能なソリッド・ステート・イメージ・センサの概略ブロック図である。
【図４】本発明の第２の実施形態による適応可能なソリッド・ステート・イメージ・センサの概略ブロック図である。
【図５】図４のセンサと一緒になって役立つカラー・フィルタのモザイク・アレイを図示する図である。
【図６】本発明の第３の実施形態による適応可能なソリッド・ステート・イメージ・センサの概略ブロック図である。
【図７】図６のセンサと一緒になって役立つカラー・フィルタのモザイク・アレイを示す図である。
【図１】
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【図２】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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