(57)【要約】【課題】固体撮像素子から出力されるカラー画像のホワイトバランスを良好にする。【解決手段】マトリックス状に配置された複数の光電変換素子２０を備え、互いに異なる３つの透過中心波長を有するカラーフィルタ２２Ｒ，２２Ｇ，２２Ｂ、近赤外光領域に透過中心周波数を有する近赤外光フィルタ２２ＩＲのいずれか１つが光電変換素子２０の各々の受光面に配置され、光電変換素子２０のマトリックスの各列にカラーフィルタ２２Ｒ，２２Ｇ，２２Ｂのうちいずれか一種と近赤外光フィルタ２２ＩＲが配置されている固体撮像素子により上記課題を解決することができる。【選択図】図６
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
マトリックス状に配置された複数の光電変換素子を備え、
互いに異なる３つの透過中心波長を有する第１の可視光フィルタ、第２の可視光フィルタ及び第３の可視光フィルタ並びに近赤外光領域に透過中心周波数を有する近赤外光フィルタのいずれか１つが前記光電変換素子の各々の受光面に配置された固体撮像素子であって、
前記光電変換素子のマトリックスの各列に第１の可視光フィルタ及び近赤外光フィルタが配置されていることを特徴とする固体撮像素子。
【請求項２】
請求項１に記載の固体撮像素子であって、
前記光電変換素子のマトリックスの各行に第１の可視光フィルタ及び近赤外光フィルタが交互に配置されていることを特徴とする固体撮像素子。
【請求項３】
請求項１又は２に記載の固体撮像素子であって、
第１の可視光フィルタ、第２の可視光フィルタ及び第３の可視光フィルタは赤、緑、青の波長領域を透過中心波長とする原色系カラーフィルタのセットであり、前記第１の可視光フィルタが緑の波長領域を透過中心波長とするカラーフィルタであることを特徴とする固体撮像素子。
【請求項４】
請求項３に記載の固体撮像素子であって、
近赤外光フィルタは、第２の可視光フィルタと第３の可視光フィルタを重ね合わせて構成されることを特徴とする固体撮像素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、カラー撮像を行うための固体撮像素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
カメラに装着されるＣＣＤ（Ｃｈａｒｇｅ  Ｃｏｕｐｌｅｄ  Ｄｅｖｉｃｅ：電荷結合素子）やＣ−ＭＯＳ（Ｃｏｍｐｌｅｍｅｎｔａｒｙ  Ｍｅｔａｌ  Ｏｘｉｄｅ  Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）等の撮像素子は、二次元マトリックス状に配列され、光を電気信号に変換する光電変換素子を備える。光電変換素子は、可視光領域（３８０ｎｍ〜６５０ｎｍ程度）から近赤外光領域（６５０ｎｍ〜１１００ｎｍ程度）までの光電変換感度を有する。したがって、カラー撮像を行うためには、光電変換素子の受光面側に原色（ＲＧＢ）系又は補色（ＹＭＣ）系のカラーフィルタを配置し、入射光をカラーフィルタで色分解して各波長領域毎に光電変換を行う。
【０００３】
また、図９の平面図に示すように、原色（ＲＧＢ）系(又は補色（ＹＭＣ）系)のカラーフィルタを設けた画素に加えて、近赤外光領域（ＩＲ）を透過領域とする近赤外光フィルタを受光面側に備えた画素をモザイク状に組み合わせて設けることによって、可視光のカラー撮像のみならず、赤外領域での撮像も可能とした固体撮像素子も用いられている。例えば、昼間の屋外での撮像ではカラーフィルタを備えた画素で得られた信号を用いてカラー画像の撮像を行い、夜間や暗い屋内での撮像では近赤外光フィルタを備えた画素で得られた信号を用いて撮像を行うことができる。
【０００４】
【特許文献１】特開平１１−２３９３５６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
カラーフィルタ及び近赤外光フィルタが配置された固体撮像素子では、例えば、緑（Ｇ）を透過中心波長とするカラーフィルタ（以下、緑（Ｇ）のカラーフィルタという）が配置された光電変換素子において生成された情報電荷量を基準としてその周辺の赤（Ｒ）、青（Ｂ）を透過中心波長とするカラーフィルタ（以下、赤（Ｒ）、青（Ｂ）のカラーフィルタという）が配置された光電変換素子において生成された情報電荷量を補正することによって、各色のカラーフィルタの透過効率等の影響を低減させてホワイトバランスの調整を行う。
【０００６】
しかしながら、図９に示すカラーフィルタ及び近赤外光フィルタの配置では、青（Ｂ）のカラーフィルタと近赤外光フィルタとが配置された偶数列には緑（Ｇ）のカラーフィルタが含まれておらず、奇数列から出力された情報電荷と偶数列から出力された情報電荷とを平等に補正することが困難であった。したがって、良好なホワイトバランスを得られないおそれがあった。
【０００７】
本発明は、より良好なホワイトバランスを得ることができる固体撮像素子を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明は、マトリックス状に配置された複数の光電変換素子を備え、互いに異なる３つの透過中心波長を有する第１の可視光フィルタ、第２の可視光フィルタ及び第３の可視光フィルタ並びに近赤外光領域に透過中心周波数を有する近赤外光フィルタのいずれか１つが前記光電変換素子の各々の受光面に配置された固体撮像素子であって、前記光電変換素子のマトリックスの各列に第１の可視光フィルタ及び近赤外光フィルタが配置されていることを特徴とする。
【０００９】
このように、各可視光フィルタ及び近赤外光フィルタを配置することによって、いずれの列から出力された情報電荷に対しても、それぞれの列における第１の可視光フィルタが配置された光電変換素子から出力された情報電荷に基づいて補正を行うことができる。
【００１０】
ここで、前記光電変換素子のマトリックスの各行に第１の可視光フィルタ及び近赤外光フィルタが交互に配置されていることが好適である。具体的には、第１の可視光フィルタ及び近赤外光フィルタを交互に配置した行と、第２の可視光フィルタ及び第３の可視光フィルタを交互に配置した行と、を列方向に向けて交互に配置する。これによって、補正の基準となる第１の可視光フィルタが配置された光電変換素子が均一に分布する構成とすることができる。
【００１１】
また、第１の可視光フィルタ、第２の可視光フィルタ及び第３の可視光フィルタは赤、緑、青の波長領域を透過中心波長とする原色系カラーフィルタのセットであり、前記第１の可視光フィルタが緑の波長領域を透過中心波長とするカラーフィルタであることが好適である。緑の波長領域を透過中心波長とするカラーフィルタは赤の波長領域を透過中心波長とするカラーフィルタと青の波長領域を透過中心波長とするカラーフィルタとの間の波長領域を透過領域とするので、補正の基準となる第１の可視光フィルタを緑の波長領域を透過中心波長とするカラーフィルタとすることによってホワイトバランスの補正等をより向上させることができる。
【００１２】
また、近赤外光フィルタは、第２の可視光フィルタと第３の可視光フィルタを重ね合わせて構成されることが好適である。このように、複数の可視光フィルタを重ね合わせて近赤外光フィルタを構成することによって、固体撮像素子の製造工程を簡略化することができ、製造コストを低減することができる。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、固体撮像素子から出力されるカラー画像においてより良好なホワイトバランスを得ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
本発明の実施の形態における固体撮像装置１００は、図１に示すように、固体撮像素子１０、クロック制御部１２、信号処理部１４及び近赤外光源１６を含んで構成される。固体撮像装置１００は、固体撮像素子１０において入射光に応じた情報電荷を生成し、クロック制御部１２から固体撮像素子１０に供給されるクロック信号（φｖ，φｈ，φｏ）によって情報電荷を転送する。情報電荷は電気信号（ＳＲ，ＳＧ，ＳＢ，ＳＩＲ）に変換されて信号処理部１４へと順次出力され、信号処理部１４においてノイズ除去等の処理が施される。
【００１５】
また、固体撮像装置１００は、昼間の屋外や明るい屋内ではカラー画像の撮像を可能とし、夜間の屋外や暗い屋内では赤外画像の撮像を可能とする。赤外画像の撮像を行う場合、撮像のタイミングに応じてクロック制御部１２から近赤外光源１６へと光源オン信号（Ｌｏｎ）を出力することによって、近赤外光源１６から被写体に対して赤外領域の光を照射し、被写体からの反射光によって撮像することもできる。
【００１６】
固体撮像素子１０は、図２の平面図及び図３，図４の断面図に示すように、光電変換素子２０、カラーフィルタ２２Ｒ，２２Ｇ，２２Ｂ、近赤外カットフィルタ２４、垂直レジスタ２６、水平レジスタ２８及び出力部３０を含んで構成される。ここで、図３は、図２のＡ−Ａに沿った断面図を示し、図４は、図２のＢ−Ｂに沿った断面図を示す。
【００１７】
本実施の形態では、固体撮像素子１０には、それぞれ光電変換素子２０を含む複数の画素がマトリックス状に配置されている。各光電変換素子２０は、ＳｉフォトダイオードやＣＭＯＳセンサで構成することができる。光電変換素子２０は、ＣＣＤに結合されており、光電変換素子２０での光電変換によって生成された情報電荷は、クロック制御部１２からのクロック信号（φｖ）に応じて垂直レジスタ２６により垂直方向（図２の下方向）に転送され、次に水平レジスタ２８に転送される。情報電荷は、クロック制御部１２からのクロック信号(φｈ)に応じて水平レジスタ２８によって水平方向（図２の左方向）に転送され、出力部３０において電圧信号に変換されて信号処理部１４へ順次出力される。
【００１８】
図５に、６５０ｎｍ〜７５０ｎｍ程度の波長領域を透過しないバンドパスフィルタを用いた分光特性を示す。マトリックス状に配置された画素の受光面側には、図５のラインＲで示すように赤色の波長領域を透過するカラーフィルタ２２Ｒ、図５のラインＧで示すように緑色の波長領域を透過するカラーフィルタ２２Ｇ、図５のラインＢで示すように青色の波長領域を透過するカラーフィルタ２２Ｂ、並びに、カラーフィルタ２２Ｒ及びカラーフィルタ２２Ｂを重ねることによって赤外領域を透過する近赤外光フィルタがそれぞれ配置される。固体撮像素子１０には、これら４つの異なる波長領域を透過領域とするフィルタがそれぞれ配置された画素がモザイク状に配置される。ここで、モザイク状とは、４つの異なる波長領域を透過領域とするフィルタを備える画素が二次元状に偏り無く配置されていることを意味する。
【００１９】
例えば、カラーフィルタ２２Ｒは、約３５０ｎｍから約４２０ｎｍに向けて透過率が徐々に下がり、約４２０ｎｍ〜約５００ｎｍの波長領域の光はほぼ透過させず、約５００ｎｍから透過率が上昇し、約５５０ｎｍより長い波長の光に対して高い透過率を有する。また、例えば、カラーフィルタ２２Ｇは、約３６０〜約４２０ｎｍの波長領域の光はほぼ透過させず、約４２０ｎｍより長い波長の光から透過が増え、緑色である約５２０ｎｍにピークを有し、約６５０ｎｍに向けて透過率が徐々に低下し、約６５０ｎｍより長波長領域では再び透過率が徐々に上昇し、約８８０ｎｍより長波長の近赤外光に対しては高い透過率を有する。また、例えば、カラーフィルタ２２Ｂは、約３８０ｎｍより長い波長の光から透過が増え、青色である約４６０ｎｍにピークを有し、約５８０ｎｍに向けて透過率が低下し、約６２０ｎｍより長波長領域では再び透過率が徐々に上昇し、約６９０ｎｍで小さなピークを有し、約８００ｎｍより長波長の近赤外光に対しては高い透過率を有する。一方、光電変換素子２０は、約５００ｎｍに最大の感度を持ち、可視光領域の７８０ｎｍを超え、１１００ｎｍ程度の赤外領域まで感度を有する。
【００２０】
また、本実施形態においては、図２〜図４に示すように、カラーフィルタ２２Ｒとカラーフィルタ２２Ｂとの積層により近赤外光フィルタを構成している。近赤外光フィルタは、カラーフィルタ２２Ｒのみが設けられた画素から近赤外光フィルタを設ける画素へとカラーフィルタ２２Ｒを延設し、一方では、カラーフィルタ２２Ｂのみが設けられた画素から近赤外光フィルタを設ける画素へとカラーフィルタ２２Ｂを延設することによって構成される。具体的には、図２に示すように、カラーフィルタ２２Ｒとカラーフィルタ２２Ｂを隣り合った列間においてジグザグにレイアウトし、各列において４画素毎にカラーフィルタ２２Ｒとカラーフィルタ２２Ｂが重なり合うようにする。この構成によれば、カラーフィルタ２２Ｒとカラーフィルタ２２Ｂとを形成する製造工程と同時に近赤外光フィルタを形成することができる。
【００２１】
近赤外光フィルタは、図５のラインＩＲで示すように、約５８０ｎｍまではほぼ光を透過させず、約５８０ｎｍから徐々に透過率が上昇し、約６９０ｎｍ以上ではカラーフィルタ２２Ｂとほぼ同じ透過特性を示す。
【００２２】
本実施の形態では、図６に示すように、各カラーフィルタ２２Ｒ，２２Ｇ，２２Ｂ及び近赤外光フィルタ２２ＩＲのいずれか１つがそれぞれ１つの光電変換素子２０の受光面に合わせてモザイク状に配置される。このとき、ブロックＸ１，Ｘ２で示すように、互いに隣接する４つの光電変換素子２０のグループであるブロックＸ１，Ｘ２に補正の基準となる色のカラーフィルタが含まれ、かつ、マトリックス状に配置された光電変換素子の各列（シフトレジスタの転送方向に沿った列）に補正の基準となる色のカラーフィルタと近赤外光フィルタとが含まれるように各フィルタが配置される。
【００２３】
このように、各可視光フィルタ及び近赤外光フィルタを配置することによって、いずれの列から出力された情報電荷に対しても、それぞれの列における第１の可視光フィルタが配置された光電変換素子から出力された情報電荷に基づいて補正を行うことができる。
【００２４】
図６の例では、基準となる色を緑（Ｇ）としている。すなわち、緑（Ｇ）のカラーフィルタ２２Ｇと近赤外光フィルタ２２ＩＲとを交互に配列した行（シフトレジスタの転送方向と交差する行）と、赤（Ｒ）のカラーフィルタ２２Ｒと青（Ｂ）のカラーフィルタ２２Ｂとを交互に配列した行と、を列方向に向けて交互に配置した構成としている。また、緑（Ｇ）のカラーフィルタＧと近赤外光カラーフィルタ２２ＩＲとを交互に配置する場合に、赤（Ｒ）のカラーフィルタ２２Ｒと青（Ｂ）のカラーフィルタが配置された行を挟んで隣り合った２つの行では緑（Ｇ）のカラーフィルタＧと近赤外光カラーフィルタ２２ＩＲとが入れ替わるように構成する。このような構成によって、補正の基準となる緑（Ｇ）のカラーフィルタ２２Ｇが配置された光電変換素子２２が、光電変換素子２２のマトリックス内において均一に分布する。
【００２５】
図６のようなフィルタの配置とする場合、赤（Ｒ）のカラーフィルタ２２Ｒを図２のように配置し、青（Ｂ）のカラーフィルタ２２Ｂを図２のように配置することによって、赤（Ｒ）のカラーフィルタ２２Ｒと青（Ｂ）のカラーフィルタ２２Ｂとを重ね合わせて近赤外光フィルタ２２ＩＲを構成することができる。
【００２６】
また、図５に示すように、緑（Ｇ）の波長領域を透過中心波長とするカラーフィルタ２２Ｇは、赤（Ｒ）の波長領域を透過中心波長とするカラーフィルタ２２Ｒと青（Ｂ）の波長領域を透過中心波長とするカラーフィルタ２２Ｂとの間の波長領域を透過領域とする。したがって、補正の基準を緑（Ｇ）のカラーフィルタ２２Ｇが配置された光電変換素子２０から出力された信号を基準としてその周辺の光電変換素子２０から出力された信号を補正することによってホワイトバランスの補正等をより向上させることができる。
【００２７】
信号処理部１４は、基準となる緑（Ｇ）の信号ＳＧに基づいて、緑色に対する信号ＳＧのゲインを基準にして赤（Ｒ）に対する信号ＳＲおよび青（Ｂ）に対する信号ＳＢのゲインを制御することにより色信号のホワイトバランス調整処理を行う。色信号のホワイトバランス調整は、例えば、緑（Ｇ）に対する信号ＳＧが所定の信号量より大きい場合には、赤（Ｒ）に対する信号ＳＲのゲインを所定の量だけ小さくし、青（Ｂ）に対する信号ＳＢのゲインを所定の量だけ大きくする制御を行い、逆に、緑（Ｇ）に対する信号ＳＧが所定の信号量より小さい場合には、赤（Ｒ）に対する信号ＳＲのゲインおよび青（Ｂ）に対する信号ＳＢのゲインを同等にする制御を行う。
【００２８】
本実施の形態では、さらに、画素の受光面側に近赤外領域を透過しない近赤外カットフィルタ２４が配置される。ここで、近赤外カットフィルタ２４は、少なくとも６５０ｎｍ以上７５０ｎｍ以下の波長領域の光を透過しないフィルタ特性を有することが好適である。特に、近赤外光源１６の出力光の波長領域よりも短い波長領域を遮断領域とするフィルタ特性を有することが好適である。例えば、近赤外光源１６の出力光のピーク波長が８５０ｎｍである場合、近赤外光源１６の波長分散が±５０ｎｍ程度であるとすると、近赤外カットフィルタ２４は、６５０ｎｍ以上８００ｎｍ以下の波長領域の光を透過しないフィルタ特性を有することが好適である。また、近赤外光源１６の出力光のピーク波長が９００ｎｍである場合、近赤外光源１６の波長分散が±５０ｎｍ程度であるとすると、近赤外カットフィルタ２４は、６５０ｎｍ以上８５０ｎｍ以下の波長領域の光を透過しないフィルタ特性を有することが好適である。
【００２９】
固体撮像素子１０から出力される信号ＳＲ，ＳＧ，ＳＢには赤外領域の光による電荷がノイズとして含まれる。したがって、これらの信号ＳＲ，ＳＧ，ＳＢをそのまま用いてカラー画像を構成すると、正しいカラー再現性を得ることができない。本実施の形態の構成では、信号処理部１４では、近赤外光フィルタが設けられた画素からの出力信号ＳＩＲに基づいて、出力信号ＳＲ，ＳＧ，ＳＢから近赤外光領域の成分を除去する処理を行うことができる。
【００３０】
具体的には、近赤外光成分を除去する信号処理として、例えば、出力信号ＳＲから信号ＳＩＲを引き算する処理を行う。出力信号ＳＧ，ＳＢに対しても同様に信号ＳＩＲを引き算する処理を行う。このとき、色毎に感度が異なる近赤外領域、特に６５０ｎｍ以上７５０ｎｍ以下の波長領域、については近赤外カットフィルタによって除去されているので三原色の信号に対して等しく適切な色再現を行うことができる。
【００３１】
なお、カラーフィルタ２２Ｒ，２２Ｇ，２２Ｂ及び近赤外光フィルタ２２ＩＲを図７に示す配置としてもよい。この場合も、上記と同様に、カラーフィルタ２２Ｒとカラーフィルタ２２Ｂとを重ね合わせて近赤外光フィルタ２２ＩＲを構成することができる。そして、図６に示す配置と同様に、各列に基準となる緑（Ｇ）のカラーフィルタ２２Ｇが含まれているので補正処理をより正確にすることができ、カラーの再生をより正確に行うことができる。
【００３２】
また、カラーフィルタ２２Ｒ，２２Ｇ，２２Ｂ及び近赤外光フィルタ２２ＩＲを図８に示す配置としてもよい。この場合も、上記と同様に、カラーフィルタ２２Ｒとカラーフィルタ２２Ｂとを重ね合わせて近赤外光フィルタ２２ＩＲを構成することができる。そして、各列に基準となる緑（Ｇ）のカラーフィルタ２２Ｇが含まれているので補正処理をより正確にすることができ、カラーの再生をより正確に行うことができる。
【００３３】
以上、固体撮像素子１０としてＣＣＤを例に説明したが、電荷の転送方法はどのような方法であってもよく、例えば、ＦＴ（フレーム・トランスファ）方式、ＩＴ（インターライン・トランスファ）方式、ＦＩＴ（フレーム・インターライン・トランスファ）方式のＣＣＤとすることができる。また、本発明の光電変換素子２０は、ＣＭＯＳでも同様に構成することができる。
【００３４】
また、本実施の形態の固体撮像素子１０では、赤色に対するカラーフィルタ２２Ｒおよび青色に対するカラーフィルタ２２Ｂは、４つの光電変換素子２０で構成される光電変換素子ブロックごとに形成される形状としたが、カラーフィルタ２２Ｒは二次元に配列された光電変換素子２０の一列に連続して一体で形成し、カラーフィルタ２２Ｂは二次元に配列された光電変換素子２０の一行に連続して一体で形成してもよい。
【図面の簡単な説明】
【００３５】
【図１】本発明の実施の形態における固体撮像素子の構成を示すブロック図である。
【図２】本発明の実施の形態における撮像部の構成を模式的に示す平面図である。
【図３】本発明の実施の形態における撮像部の構成を模式的に示す断面図である。
【図４】本発明の実施の形態における撮像部の構成を模式的に示す断面図である。
【図５】一般的なカラーフィルタの透過特性の波長依存性を示す図である。
【図６】本発明の実施の形態におけるフィルタの配置を示す図である。
【図７】本発明の実施の形態におけるフィルタの配置の別例を示す図である。
【図８】本発明の実施の形態におけるフィルタの配置の別例を示す図である。
【図９】従来のフィルタの配置を示す図である。
【符号の説明】
【００３６】
１０  固体撮像素子、１２  クロック制御部、１４  信号処理部、１６  近赤外光源、２０  光電変換素子、２２Ｒ，２２Ｇ，２２Ｂ  カラーフィルタ、２４  近赤外カットフィルタ、２６  垂直レジスタ、２８  水平レジスタ、３０  出力部、１００  固体撮像装置。
【図１】
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【図２】
2008092247.tif 000004
【図３】
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【図４】
2008092247.tif 000006
【図５】
2008092247.tif 000007
【図６】
2008092247.tif 000008
【図７】
2008092247.tif 000009
【図８】
2008092247.tif 000010
【図９】
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