(57)【要約】本発明のマルチスペクトルセンシング装置は、第一のグループの色をセンシングするための感光画素を含むトップ層と、第二のグループの色をセンシングするための感光画素を含むボトム層とを備える。少なくとも一つの層には、二種以上のスペクトルをセンシングするための画素が含まれる。【選択図】図８
2010532869.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
マルチスペクトルセンシング装置であって、
第一のグループの色をセンシングするための感光画素を含むトップ層と、
第二のグループの色をセンシングするための感光画素を含むボトム層とを少なくとも備えており、
少なくとも一つの層には、二種以上のスペクトルをセンシングするための画素が含まれることを特徴とするマルチスペクトルセンシング装置。
【請求項２】
一つのトップ層と一つのボトム層とからなることを特徴とする請求項１に記載のマルチスペクトルセンシング装置。
【請求項３】
前記スペクトルは、青のスペクトル、緑のスペクトル、赤のスペクトルと赤外のスペクトルを含むことを特徴とする請求項１又は２に記載のマルチスペクトルセンシング装置。
【請求項４】
前記トップ層でセンシングされる第一のグループの色は、
Ａ  ブランク、青、緑及びシアンから選択される四つ以下の色；
Ｂ  ブランク又は青；
Ｃ  ブランク、青及びシアン；
Ｄ  ブランク、青及び緑；
Ｅ  ブランク、緑及びシアン；又は、
Ｆ  ブランク、青、緑及びシアン
であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一つに記載のマルチスペクトルセンシング装置。
【請求項５】
下の層でセンシングされる各色はそれぞれ、当該下の層より上の層の、対応する位置でセンシングされる色よりも長くなる波長を持つことを特徴とする請求項１〜４のいずれか一つに記載のマルチスペクトルセンシング装置。
【請求項６】
下の層でセンシングされる各色のスペクトルはそれぞれ可視光のスペクトル空間において、当該下の層より全ての上の層の、対応する位置でセンシングされる色のスペクトルの総和であるトータル・スペクトルと直交し、
前記ボトム層でセンシングされる各色のスペクトルはそれぞれ可視光又は可視光及び赤外光のスペクトル空間において、当該下の層より全ての上の層の、対応する位置でセンシングされる色のスペクトルと直交することを特徴とする請求項５に記載のマルチスペクトルセンシング装置。
【請求項７】
下の層でセンシングされる各色のスペクトルはそれぞれ可視光のスペクトル空間において、当該下の層より全ての上の層の、対応する位置でセンシングされる色のスペクトルの総和であるトータル・スペクトルと相補することを特徴とする請求項６に記載のマルチスペクトルセンシング装置。
【請求項８】
前記ボトム層でセンシングされる第二のグループの色は、緑、赤、黄、白、赤外、赤＋赤外、黄＋赤外、及び、白＋赤外から選択される四つ以下を含むことを特徴とする請求項１〜７のいずれか一つに記載のマルチスペクトルセンシング装置。
【請求項９】
前記感光画素の配列パターンは、ユニフォームパターン、水平パターン、垂直パターン、対角パターン、広義のベイヤパターン、ＹＵＶ４２２パターン、水平方向のＹＵＶ４２２パターン、ハニカムパターン又は等間隔パターンであることを特徴とする請求項１〜８のいずれか一つに記載のマルチスペクトルセンシング装置。
【請求項１０】
前記トップ層には、可視光（白）の強度をセンシングする第一のグループの感光画素が含まれており、
前記ボトム層には、可視光と赤外光（白＋赤外）の強度をセンシングする第二のグループの感光画素が含まれていることを特徴とする請求項２に記載のマルチスペクトルセンシング装置。
【請求項１１】
マルチスペクトルセンシング装置の製造方法であって、
少なくとも、第一のグループの色をセンシングするための感光画素を含むトップ層と、第二のグループの色をセンシングするための感光画素を含むボトム層とを作製し、
少なくとも一つの層には、二種以上のスペクトルをセンシングする感光画素が含まれるようにすることを特徴とするマルチスペクトルセンシング装置の製造方法。
【請求項１２】
中間層を作製しなくて、前記トップ層と前記ボトム層だけを作製することを特徴とする請求項１１に記載のマルチスペクトルセンシング装置の製造方法。
【請求項１３】
前記マルチスペクトルは、青のスペクトル、緑のスペクトル、赤のスペクトル及び赤外のスペクトルを含むことを特徴とする請求項１１又は１２に記載のマルチスペクトルセンシング装置の製造方法。
【請求項１４】
前記トップ層でセンシングされる第一のグループの色は、
Ａ  ブランク、青、緑、シアンから選択される四つ以下の色；
Ｂ  ブランク又は青；
Ｃ  ブランク、青及びシアン；
Ｄ  ブランク、青及び緑；
Ｅ  ブランク、緑及びシアン；又は、
Ｆ  ブランク、青、緑及びシアン；
であることを特徴とする請求項１１〜１３のいずれか一つに記載のマルチスペクトルセンシング装置の製造方法。
【請求項１５】
前記トップ層以外の層でセンシングされる各色はそれぞれ、当該層より上の層の、対応する位置でセンシングされる色よりも長くなる波長を持つことを特徴とする請求項１１〜１４のいずれか一つに記載のマルチスペクトルセンシング装置の製造方法。
【請求項１６】
下の層でセンシングされる各色のスペクトルはそれぞれ可視光のスペクトル空間において、当該下の層より全ての上の層の、対応する位置でセンシングされる色のスペクトルの総和であるトータル・スペクトルと直交し、
前記ボトム層でセンシングされる各色のスペクトルはそれぞれ可視光又は可視光及び赤外光のスペクトル空間において、当該下の層より全ての上の層の、対応する位置でセンシングされる色のスペクトルと直交することを特徴とする請求項１１〜１５のいずれか一つに記載のマルチスペクトルセンシング装置の製造方法。
【請求項１７】
下の層でセンシングされる各色のスペクトルはそれぞれ可視光のスペクトル空間において、当該下の層より全ての上の層の、対応する位置でセンシングされる色のスペクトルの総和であるトータル・スペクトルと相補し、
前記ボトム層でセンシングされる各色のスペクトルはそれぞれ可視光のスペクトル空間において、当該ボトム層より全ての上の層の、対応する位置でセンシングされる色のスペクトルと相補することを特徴とする請求項１６に記載のマルチスペクトルセンシング装置の製造方法。
【請求項１８】
色の境界線を設定し、上の層でセンシングされる各色が当該色の境界線を上回るとともに、下の層でセンシングされる各色が当該色の境界線を下回るようにすることを特徴とする請求項１６又は１７に記載のマルチスペクトルセンシング装置の製造方法。
【請求項１９】
前記色の境界線は、青と緑との間の境界線、緑と赤との間の境界線、赤と赤外との間の境界線、又は、赤外光の所望の最大波長を特定するための境界線であることを特徴とする請求項１８に記載のマルチスペクトルセンシング装置の製造方法。
【請求項２０】
一つの層だけに、水平パターン、垂直パターン又は対角パターンで配列される、二色を感光するための感光画素が含まれ、それ以外の層は空白状態であるか感光画素が含まれていない状態であることを特徴とする請求項１１又は１２に記載のマルチスペクトルセンシング装置の製造
方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、画像センシング装置及びその製造方法に関するものであり、特に、照明光を電気信号アレー（electronic signal array）に変換する画像センシング装置及びその製造方法に関するものである。より詳しくは、本発明はマルチスペクトル（例えば、可視光と赤外光など）をセンシング可能な、全整色に用いられる新規の画像センシング装置及びその製造方法に関するものである。ここで、全整色とは、所望のスペクトルの全体を指す。普通の感光素子（例えば、可視光をセンシングするための素子）の場合に、全整色とは、赤、緑、青及び白を含む可視光のスペクトルの全体を指す。赤外光と可視光の両方をセンシングするためのセンシング装置の場合に、全整色とは、可視光のスペクトルと赤外光のスペクトルを指す。本発明は、モノクロ画像およびカラー画像をセンシングするマルチスペクトルセンシング装置（multi-spectrum sensing device）に適用される。
【背景技術】
【０００２】
従来のカラー画像センシング装置では、製造や設計の際に、技術上幾つかの問題が残され、制限を受けている。詳しくは、従来のカラー画像センサでは、感光度が低く、画素解像度が低く、エイリアシング（aliasing）現象が生じやすいなどの問題がある。一般的には、現在使用されている画像センサはモノクロ画像をセンシングするか、あるいは、カラー画像をセンシングする。現在、単一の感光画素アレーでカラー画像が形成できるカラー画像センシング装置を実現する手段は数少ない。そのうち、カラー画像センシング装置の製造方法として最もよく利用されているのは、感光画素アレーにカラーフィルタパターンを形成するものである。従来のカラー画像センサには、主に下記二種類のカラーフィルタパターンが用いられる。図１は、シアン、黄、マゼンタ、緑を含む、いわゆるＣＹＭＧ（Ｍはピンク又はマゼンタを示す）パターン（複合パターンとも称する）を示す図である。図２（Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ）及び（Ｄ）と図３（Ａ）及び（Ｂ）はそれぞれ、ベイヤ・パターン（Bayer pattern）又はハニカム・パターン（honeycomb pattern）として配列される、三原色（ＲＧＢ）カラーフィルターパターンを示す図である。これらはいずれも赤、緑、青をセンシングするものである。
【０００３】
ＣＹＭＧパターンのカラー画像センサにおいて、感光画素アレーは四つの画素が含まれる複数のマクロ画素を備える。各画素に対してそれぞれシアン、黄、マゼンタ、緑のカラーフィルタが塗布される。しかしながら、ディスプレー業界において、ＣＹＭＧパターンではなく、三原色（ＲＧＢ）パターンが採用されている。従って、ＣＹＭＧパターンをＲＧＢパターンに変換するために、ＣＹＭＧパターンに対してカラーマトリックス変換がされなければならない。また、一つの画素では一つの色（シアン、黄、マゼンタ又は緑）しかセンシングすることができないので、赤、緑及び青をセンシングするために、隣接する画素から、補間処理を行うことによって、欠落した色を補間する必要がある。ベイヤ・パターンのカラー画像センサでは、感光画素アレーは四つの画素が含まれる複数のマクロ画素を備えるが、各画素に対してそれぞれ赤、緑、青のカラーフィルタが塗布される（米国特許第３９７１０６５号）。さらに、各マクロ画素においては、一つの対角線上における二つの画素が緑又は画像の輝度に対応する色をセンシングし、他の二つの色が赤と青、又は、可視光における他の二スペクトルに対応するものでなければならない。同じく、一つの画素では一つの色（赤、緑又は青）しかセンシングすることができないので、欠落された他の二色をセンシングするために、隣接する画素から、補間処理を行うことによって、欠落した色を補間する必要がある。ベイヤ・パターンは異なった四つのパターンを含み、各パターンがそれぞれ特定のＲＧＢ配列を示す。図３に示すハニカムパターンでは、マクロ画素は三つの画素からなり、各画素はハニカム状に配置され、それぞれ赤、緑、青のカラーフィルタが塗布される。ハニカムパターンにおいて、赤、緑、青が対称的に且つ均等的に配列され、中の二色が位置交換されても、ハニカムパターンを構成することができる。
以上のように、ＣＹＭＧパターン、ベイヤ・パターン又はハニカムパターンによるカラーフィルター技術は、同じく、一、カラーフィルターの使用により感光度が低下する（モノクロセンサと比較する場合）、二、カラーの補間により画像の品質（解像度）が低下する、三、カラーの補間によりエイリアシングが生じる。一般的に、ローパスフィルターを通じてこのエイリアシング問題を解決できるが、このローパスフィルターの使用で画像の品質が低下する。
【０００４】
カラーフィルターの使用に伴う感光度の低下を回避するために、米国特許第  ６１３７１００号には、ＲＧＢ画素のレスポンス特性を均衡する方法が開示された。該方法には、感光素子として各色に対する感光度がそれぞれ異なるフォトダイオードが採用されている。各色に対するフォトダイオードの感光度は緑、赤、青という順番に低下する。この方法において、各色に対するセンシング面積は、青が一番大きく、赤が青より小さく、緑が一番小さくなるように設定されている。この方法では、色に対する感光度がある程度向上できるが限られている。また、ＲＧＢのカラーパターンだけを強調するに留まる。
【０００５】
最近、米国Kodak社が白とＲＧＢを組み合わせる方法を提案した。即ち、ＲＧＢ画素アレーに白画素を追加することによって感光度を向上する。図４（Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ）に示すように、白画素が吸収する光エネルギーは原色画素（赤、緑、青）又は補色画素（シアン、黄、マゼンタ）よりも数倍多くなるので、この白とＲＧＢを組み合わせる構成では、従来のベイヤ・パターンのセンシング装置と比較すれば、確かに感光度が２、３倍向上した。しかし、新しい問題も存在する。すなわち、１、色再現が顕著に複雑になる、２、三色から四色に増えるので、空間的解像度がベイヤ・パターンの場合より低くなる、３、ＲＧＢよりも白の感光度が６〜１０倍高くなるため、各色の信号間に不釣り合いが生じやすい。それにより、画像の品質は感光度が最も低い色によって決められるので、白の高感光度の特質を十分に生かせなくなる。
【０００６】
色補間を回避するために、米国Foveon社が三層構造でセンシングする新しいカラーセンシング装置を提案した。図５を参照してください。この「Ｘ３画像センサー」と称する三層構造によるカラーセンシング装置において、感光画素アレーが三層に分けられており、各層でそれぞれ赤、緑、青の一色をセンシングする。この構成では、色補間に伴う問題を解決でできるが、各層での感光度がそれぞれ違うため、また新たな問題を生じる。つまり、下の層は上の層よりも感光度が低いので、全体的に空間的解像度が低下する。そして、三層構造のため、その製造工程が更に複雑になるとともに生産力も低下する。また、伝送や処理を行うデータ量が三倍になるため、Ｘ３画像センサーのシステムコストや消費電力が顕著に増えてしまう。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
一般的に、カラー画像センサはＲＧＢの連続スペクトルに対応するものである。また、可視光のスペクトル全体、又は、赤外光のスペクトル、又はその両方に対応するモノクロ画像センサがある。このようなモノクロ画像センサは、従来のベイヤ・パターンのカラー画像センサよりも感光度が１０倍高くなる（同じ作成条件の場合）が、カラーを生成することが出来ない。
【０００８】
以上説明したように、従来の技術では、改善が進められているが、各アスペクト間において折衷を図りながら、一方を改善するが他方を犠牲にしてしまう。単層構造では、光エネルギーが最大限に利用されないとともに、空間的解像度も低くなる。一方、三層構造では、白と補色が利用されないため、感光度が大いに低下し、製造工程があまりにも複雑になってしまう。
【０００９】
従って、上述した問題を解決するために、従来の技術を改善し、モノクロ画像センサととカラー画像センサの両方の利点を兼ねる画像センサ及びその製造方法を開発する必要がある。
【００１０】
本発明は、上記事情に鑑みて為されたものであり、色補間に伴う問題を回避し、光エネルギーを最大限に利用して空間的解像度を向上するとともに、感光度の低下を防止することができる画像センシング装置及びその製造方法を提供することを目的とする。
【００１１】
さらに、本発明は、製造工程を簡素化し生産力を向上し、伝送データ量や処理データ量を減少し、システムのコスト及び消費電量を節約することが可能である二層構造構造の画像センシング装置及びその製造方法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】
【００１２】
上述の課題を解決するため、本発明の画像センシング装置はマルチスペクトルセンシング装置であって、第一のグループの色をセンシングするための感光画素を含むトップ層と、第二のグループの色をセンシングするための感光画素を含むボトム層とを少なくとも備えており、少なくとも一つの層には、二種以上のスペクトルをセンシングするための画素が含まれることを特徴とするマルチスペクトルセンシング装置である。
【００１３】
前記マルチスペクトルセンシング装置は一つのトップ層と一つのボトム層からなることが望ましい。
【００１４】
前記スペクトルは、青のスペクトル、緑のスペクトル、赤のスペクトルと赤外のスペクトルを含む。
【００１５】
また、前記トップ層でセンシングされる第一のグループの色は、
A  ブランク（blank）、青、緑及びシアンから選択される四つ以下の色；
B  ブランク又は青；
C  ブランク、青及びシアン；
D  ブランク、青及び緑；
E  ブランク、緑及びシアン；又は、
F  ブランク、青、緑及びシアンである。
【００１６】
さらに、下の層でセンシングされる各色はそれぞれ、当該下の層より上の層の、対応する位置でセンシングされる色よりも長くなる波長を持つ。下の層でセンシングされる各色のスペクトルはそれぞれ可視光のスペクトル空間において、当該下の層より全ての上の層の、対応する位置でセンシングされる色のスペクトルの総和であるトータル・スペクトルと直交し、前記ボトム層でセンシングされる各色のスペクトルはそれぞれ可視光又は可視光及び赤外光のスペクトル空間において、当該下の層より全ての上の層の、対応する位置でセンシングされる色のスペクトルと直交する。「直交」の定義は後述する。
【００１７】
さらに、下の層でセンシングされる各色のスペクトルはそれぞれ可視光のスペクトル空間において、当該下の層より全ての上の層の、対応する位置でセンシングされる色のスペクトルの総和であるトータル・スペクトルと相補（complementary）する。「相補」の定義は後述する。
【００１８】
さらに、前記ボトム層でセンシングされる第二のグループの色は、緑、赤、黄、白、赤外、赤＋赤外、黄＋赤外、白＋赤外から選択される四つ以下を含む。
【００１９】
前記感光画素の配列パターンは、ユニフォームパターン（uniform pattern）、水平パターン、垂直パターン、対角パターン、広義のベイヤパターン、ＹＵＶ４２２パターン、水平方向のＹＵＶ４２２パターン、ハニカムパターン又は等間隔パターンである。前記各パターンについては、後述する実施の形態において詳しく説明する。
【００２０】
前記トップ層には、可視光（白）の強度をセンシングする第一のグループの感光画素が含まれており、前記ボトム層には、可視光と赤外光（白＋赤外）の強度をセンシングする第二のグループの感光画素が含まれている。
【００２１】
上述の課題を解決するため、本発明の画像センシング装置の製造方法はマルチスペクトルセンシング装置の製造方法であって、少なくとも、第一のグループの色をセンシングするための感光画素を含むトップ層と、第二のグループの色をセンシングするための感光画素を含むボトム層とを作製し、少なくとも一つの層には、二種以上のスペクトルをセンシングする感光画素が含まれるようにすることを特徴とする。
【００２２】
前記製造方法は、中間層を作製しなくて、前記トップ層と前記ボトム層だけを作製することが望ましい。
【００２３】
さらに、前記マルチスペクトルは青のスペクトル、緑のスペクトル、赤のスペクトル及び赤外のスペクトルを含む。
【００２４】
さらに、前記トップ層でセンシングされる第一のグループの色は、
A  ブランク、青、緑、シアンから選択される四つ以下の色；
B  ブランク又は青；
C  ブランク、青及びシアン；
D  ブランク、青及び緑；
E  ブランク、緑及びシアン；又は、
F  ブランク、青、緑及びシアンである。
【００２５】
さらに、前記トップ層以外の層でセンシングされる各色はそれぞれ、当該層より上の層の、対応する位置でセンシングされる色よりも長くなる波長を持つ。
【００２６】
さらに、下の層でセンシングされる各色のスペクトルはそれぞれ可視光のスペクトル空間において、当該下の層より全ての上の層の、対応する位置でセンシングされる色のスペクトルの総和であるトータル・スペクトルと直交し、前記ボトム層でセンシングされる各色のスペクトルはそれぞれ可視光又は可視光及び赤外光のスペクトル空間において、当該下の層より全ての上の層の、対応する位置でセンシングされる色のスペクトルと直交し、さらに、可視光のスペクトル空間において相補することが望ましい。
【００２７】
また、色の境界線を設定し（後述する実施の形態において、図６（Ｂ）を参照しながら詳しく説明する）、上の層でセンシングされる各色が当該色の境界線を上回るとともに、下の層でセンシングされる各色が当該色の境界線を下回るようにする。前記色の境界線は、青と緑との間の境界線（第１の境界線）、緑と赤との間の境界線（第２の境界線）、赤と赤外との間の境界線（第３の境界線）、又は、赤外光の所望の最大波長を特定するための境界線（第４の境界線）である。
【００２８】
さらに、一つの層だけに、水平パターン又は垂直パターン又は対角パターンで配列される、二色を感光するための感光画素が含まれるが、それ以外の層は空白状態であるか感光画素が含まれていない状態である。このようにして、単層構造の画像センサ（主にモノクロ画像センシング装置に用いられる）を得られる。
【発明の効果】
【００２９】
本発明の構成では、以下の効果が奏する。
１、マルチスペクトルセンシング装置は、少なくとも二層構造からなるとともに、少なくとも一つの層には、二種以上のスペクトルをセンシングするための感光画素が含まれる。それにより、まず、複数のスペクトルをセンシングすることが可能になり、色補間に伴う一連の問題を防止し、ベイヤ・パターン場合と比較すれば、同じあるいはこれ以上の空間的解像度が実現できる。理論的には、他のパターンと比較して最大の空間的解像度を得られる。また、複数の層に分けられることにより、入射光のあらゆるスペクトルのエネルギーが最大限に利用され、光エネルギーが最も有効に利用され、より高い感光度を実現することができる。さらに、三色より多くの色をセンシングすることができるため、色再現を完全に実現するほか、より広い色域（Color Gamut）を得られる。
【００３０】
２、特に、二層構造構造（トップ層とボトム層）が採用されるため、低コストで入射光エネルギーを最大限に利用し（信号を強調する）、光エネルギーから熱エネルギーへの変換に伴う電気信号ノイズを減少することができる。また、製造工程を簡素化し生産力を向上し、伝送データ量や処理データ量を減少し、システムのコスト及び消費電量を節約することが可能であるになる。
【００３１】
３、異なる感光画素が望ましい配列に基き各層の画素アレーに配置され、ボトム層の感光画素でセンシングされる色のスペクトルは、トップ層の対応する位置の感光画素でセンシングされる色のスペクトルと直交し、それよりも波長が長くなる。ボトム層の感光画素でセンシングされる波長はトップ層の対応する位置の感光画素でセンシングされる波長よりも長くなり、また、ボトム層の感光画素で実際にセンシングされるスペクトルは、トップ層の対応する位置の感光画素でセンシングされるスペクトルに含まれない（含まれる場合は、所定のスペクトルの光子がボトム層に到達されない）。波長が大きいほど、入射する深さが大きいため、異なる層において直交しもしくは相補する感光画素を配置することにより、入射光エネルギーを最大限に利用するとともに空間的解像度を向上することができる。
【００３２】
４、前記Foveon社のＸ３感光センサにおいては、同じ感光画素が各層に含まれ、この感光画素が同じ深さに位置する。それに対して、本発明では、毎層が異なる感光画素を含み、且つ、これらの感光画素の位置する深さが同じでいいが、同じでなくてもいい。このように、三次元構造を採用することにより、感光面積をより有効に利用できる。また、本発明では、赤外スペクトルと可視光スペクトルが組み合わせられている。
【００３３】
５、本発明により、センシングされるスペクトルができるだけ相補する（少なくとも直交する）ように、トップ層とボトム層の感光画素が合理的に配列されている。このようにして、入射光エネルギーを最大限に利用することができる。現実的には、相補するよりも直交するほうが、製造工程を簡素化するか、もしくは、空間的解像度を改善することができる。
【００３４】
６、トップ層でセンシングされる各色が境界線を上回るが、ボトム層でセンシングされる各色が境界線を下回るように、上層と下層でセンシングされる色を厳格に色の境界線に基づき選択すれば、トップ層のあらゆる感光画素が同じ深さにおいてセンシングすることができ、ボトム層のあらゆる感光画素が同じ深さにおいてセンシングすることができる。
【００３５】
７、本発明により、カラーフィルタによって画像センシング装置を構成することができるが、カラーフィルタを使わなくても良い。しかしながら、一般的には、カラーフィルタに吸収された光エネルギーの一部が熱ノイズに変換される。したがって、最大限に照明光を電気信号アレーに変換するために、本発明の画像センシング装置にはカラーフィルタが使用されない方が望ましい。
【００３６】
以下は、実施例を通じて可視光と赤外光をセンシングするための本発明にかかるマルチスペクトルセンシング装置を説明する。しかし、下記の実施例は、あくまでも、本発明の技術内容を明らかにするものであって、そのような具体例にのみ限定して狭義に解釈されるべきものではなく、本発明の精神と次に記載する請求の範囲内で、いろいろと変更して実施することができるものである。
【００３７】
本発明の他の目的、特徴、および優れた点は、以下に示す記載によって十分分かるであろう。また、本発明の利点は、添付図面を参照した次の説明で明白になるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００３８】
【図１】ＣＹＭＧカラーフィルターパターンを示す図である。
【図２】ＲＧＢカラーフィルターのベイヤ・パターン及びその変形例を示す図である。
【図３】ＲＧＢカラーフィルターのハニカムパターンを示す図である。
【図４】白を使用したKodak社の新規パターンを示す図である。
【図５】米国のFoveon社に開発されたＸ３画像センサにおける三層構造のカラーフィルターを説明する図である。
【図６】（Ａ）は赤、緑、青、黄、シアン、白及び赤外のスペクトル間の関係を説明する図である；（Ｂ）は光の（不透明な）物体に入射した深さと光の波長との関係を説明する図である。
【図７】相補する色ペアと直交する色ペアを例示する図である。
【図８】本発明にかかる広義のベイヤ・パターンに配列された二層構造のカラーセンシング装置の望ましい実施例と変形例を説明する図である。（Ａ）では、ＣＹＭＫ画像センシング装置が得られる。
【図９】本発明にかかるＹＵＶ４２２パターンに配列された二層構造のカラーセンシング装置の望ましい実施例と変形例を説明する図である。
【図１０】本発明にかかるハニカムパターンに配列される二層構造のカラーセンシング装置の望ましい実施例と変形例を説明する図である。
【図１１】本発明にかかる可視光と赤外光を共にセンシングする単層構造のマルチスペクトルセンシング装置の望ましい実施例と変形例を説明する図である。本図には、第四の境界線で対角パターンに配列される。また、本図に示す単層構造のマルチスペクトルセンシング装置は二層構造のマルチスペクトルセンシング装置の一つの特例である。
【図１２】本発明にかかる可視光と赤外光を共にセンシングする二層構造のマルチスペクトルセンシング装置の望ましい実施例と変形例を説明する図である。本図には、第三の境界線で方形パターンとハニカムパターンに配列される。
【図１３】本発明にかかる可視光と赤外光をともにセンシングする二層構造のマルチスペクトルセンシング装置の望ましい実施例と変形例を説明する図である。ここで、広義なベイヤ・パターンに配列される。
【図１４】本発明にかかる可視光と赤外光を共にセンシングする二層構造のマルチスペクトルセンシング装置の望ましい実施例と変形例を説明する図である。本図には、ＹＵＶ４２２パターンに配列される。
【図１５】本発明にかかる可視光と赤外光を共にセンシングする二層構造のマルチスペクトルセンシング装置の望ましい実施例と変形例を説明する図である。本図には、ハニカムパターンに配列される。
【図１６】本発明にかかる可視光と赤外光を共にセンシングする二層構造のマルチスペクトルセンシング装置の望ましい実施例と変形例を説明する図である。（Ａ）には第一の境界線を使用して、トップ層が青とブランクだけを含む。（Ｂ）には第二の境界線を使用して、トップ層がブランク、シアン及び緑だけを含む。
【発明を実施するための形態】
【００３９】
二層構造のマルチスペクトルセンシング装置は、一つのトップ層と一つのボトム層とを含むものである。トップ層に第一のグループの色をセンシングするための感光画素を備え、ボトム層に第二のグループの色をセンシングするための感光画素を備える。また、少なくとも一つの層には、二つ以上のスペクトルをセンシングするための感光画素を備える。このセンシング装置において、赤のスペクトル、緑のスペクトル、青のスペクトルと赤外のスペクトルなど、四つの連続スペクトルがセンシングされる。ここで、赤外を基本色と称する。応用時に、赤外を無視しても良い場合が多い。また、本実施例において、黄（赤と緑に対応する）のスペクトル、シアン（緑と青に対応する）のスペクトル、白のスペクトルなど、合成色のスペクトルバンドもセンシングされる。
【００４０】
図６（Ａ）、 図６（Ｂ）は所望の色とスペクトルとの関係を示す図である。図６（Ａ）に、各色の光の波長を示し、図６（Ｂ）に、異なる波長の光の入射する深さを示す。図６（Ｂ）に示すように、第一の境界線は青と緑との間の境界線で、第二の境界線は緑と赤の間の境界線で、第三の境界線は赤と赤外の間の境界線で、第四の境界線は赤外光の所望の最大波長を特定する境界線である。各層における感光画素は必ずしも同じ高さに設ける必要がないが、図６に示すように、トップ層の感光画素がある境界線を上回る色だけをセンシングするとともに、ボトム層の感光画祖が同境界線を下回る色だけをセンシングする場合、トップ層の感光画素を同じ高さに設け、ボトム層の感光画素を同じ高さに設けていい。各層において感光画素を同じ高さに設ける利点として、センシング装置の製造工程の簡素化が実現できることが挙げられる。図８（Ａ）に示すように、ボトム層において、赤の光はボトム層より上の層での対応する位置における青又はシアンの光よりも長い波長を有し、黄の光は前記上の層での対応する位置における青の光よりも長い波長を有する。トップ層においては、ボトム層の白に対応する部分は中空状態又は透明状態でなければならない。黄とシアンが同じく緑のスペクトルを有するため、黄をセンシングするための感光画素とシアンをセンシングするための感光画素とは、（違い層の）対応する箇所に設置してはならない。
【００４１】
また、ブランク（透明又は全空）をトップ層（又はトップ層と見なされる層）にし、全整色（白、又は白＋赤外）をボトム層（ボトム層と見なされる層）にする。そこで、ブランクが常に各境界線を上回るが、全整色が境界線を常に下回る。
【００４２】
ここで、説明上の便宜を図るために、「補色」と「直交色」との概念を導入する。そこで、ブランク（透明又は全空色（empty color））も基本色と見なされる。ブランクと全整色は補色を構成する。本発明において、全整色とは、可視光の場合について言えば白を指すが、赤外光＋可視光の場合について言えば白＋赤外を指す。
【００４３】
所望のスペクトル空間（例えば、可視光のスペクトル、可視光＋赤外光のスペクトル）において、重複したスペクトルバンドを持たない二つの色は、「直交色」と定義される。例えば、赤、緑、青の三色はそれぞれ直交する。また、青と黄が互いに直交し、シアンと赤が直交する。同様に、赤外はすべての可視光と直交する。従って、赤外は、原色、補色、白色を含む可視光のそれぞれと直交する。
【００４４】
所望のスペクトル空間（例えば、可視光のスペクトル、可視光＋赤外光のスペクトル）において、直交する二色のスペクトルの和が所望のスペクトルバンドの全体に対応するものである場合、この二色は「補色」と定義される。可視光について言えば、シアンと赤が互い補色になり、青と黄が互いに補色になる。同様に、赤外光＋可視光について言えば、赤外と白が互いに補色になり、赤＋赤外とシアンが互いに補色になる。
【００４５】
図７（Ａ）、図７（Ｂ）には、可視光のスペクトル空間又は可視光＋赤外光のスペクトル空間において直交又は相補する色のペアを例示する。図７（Ａ）に可視光のスペクトル空間において直交、相補する色のペアを例示する。図７（Ｂ）に可視光＋赤外光のスペクトル空間において直交する色のペアを例示する。前記直交又は相補する色のペアは二層構造のセンシング装置に適用される。
【００４６】
また、境界線が決定される、トップ層の感光画素にセンシングされる色は該境界線を上回らなければならなく、ボトム層の感光画素にセンシングされる色はトップ層での対応する箇所の感光画素にセンシングされる色と直交すべきであるが、光エネルギーを最大限に利用する観点から、相補することが望ましい。ボトム層の感光画素にセンシングされる色は必ずしも一概に当該境界線を下回る必要がないが、下回る場合に実現されやすくなる。一般的には、より高い空間的解像度を獲得するために、各層でセンシングされる色は四色を超えてはならない。
【００４７】
また、空間的解像度がより高くなるパターンに基づいて各層の感光画素を配列する。このパターンは広義のベイヤ・パターン（図８）、ＹＵＶ４２２パターン（図９）、ハニカムパターン（図１０）を含むが、これらのパターンには限られない。
【００４８】
本発明は主に、感光画素が方形パターンまたはハニカムパターンに基づき配列されたセンシング装置に関する。方形パターンの場合は、複数の感光画素に対して、四つの感光画素を一組にしてグループ化させることによってマクロ画素を形成する。ハニカムパターンの場合は、複数の感光画素に対して、三つの感光画素を一組にしてグループ化させることによってマクロ画素を形成する。ここで、マクロ画素とは、単に作業を繰り返して全画素アレーが形成できる最小単位の画素グループであり、一般的に隣接する画素同士からなる。また、方形パターンの場合、各マクロ画素は四つよりも多くの画素を含んでもいい。例えば、図４に示すKodak社のパターンのように、マクロ画素が１６個の画素からなる。しかし、二層構造のセンシング装置には、四つより多くの画素からなるマクロ画素を実現するコストが高いが、利点などが期待できない。
【００４９】
単層における、四つの画素からなるマクロ画素は一色を含んでいいが、異なる二色又は三色又は四色を含んでもいい。一色を含む場合、配列方法は１つだけであり、すなわち、同一の配列である。二色の場合は、配列方法は３つがあり、即ち、対角配列（対角線での色が同じである）、垂直配列（垂直線での色が同じである）、及び水平配列（水平線での色が同じである）。三色の場合は、配列方法は様々あるが、大体、広義のベイヤ・パターン（同じ二色が垂直に配置される）、ＹＵＶ４２２パターン（同じ二色が垂直に配置される）、横方向ＹＵＶ４２２パターン（同じ二色が水平に配置される）など、分類される。四色の場合は、何時までもパターンが対称的なものであるので、全ての配列パターンは均一パターンになる。
【００５０】
単層における、三つの画素からなるマクロ画素は一色を含んでいいが、二色又は三色を含んでもいい。合わせて１３個の選択肢がある。ハニカムパターン自体は、垂直方向での解像度に有利な垂直配列（図３（Ａ））と、水平方向での解像度に有利な水平配列（図３（Ｂ））を含む。ここで、含まれる画素数に関わらず、三つの画素からなるマクロ画素の配列方法を全てハニカムパターンと称する。
【００５１】
図８（Ａ）、図８（Ｂ）、図８（Ｃ）及び（Ｄ）に、それぞれ、広義のベイヤ・パターンに基づき配列される二層構造のフルスペクトルセンシング装置の実施例が示される。トップ層の色がブランク、青、緑及びシアンの中から選択される三つ以下のものである。ボトム層での色がそれぞれトップ層の対応する位置での色と直交する色。また、トップ層では、同じ色が対角線に配置され、広義のベイヤ・パターンを形成する。この広義のベイヤ・パターンに限られなく、他のパターンに配列してもいい。完全な色再現と最高な空間的解像度とを実現できると共に、入射光のエネルギーも最大限に利用される。また、図８（Ａ）により、ＣＹＭＫセンシング装置を獲得できる。赤と青がそれぞれ独立するため、色再現範囲がＣＹＭＫの場合よりも広い。
【００５２】
本実施例及び後述の実施例では、ボトム層での色がトップ層での色と相補するように設定することによって、光エネルギーを最大限に利用できる。また、直交するが相補しないように設定すれば、空間的解像度を向上するとともに、物理的に容易に実現できる。
【００５３】
図９（Ａ）ないし図９（Ｄ）にそれぞれＹＵＶ４２２パターンに配列される二層構造のフルスペクトルセンシング装置の実施例が示される。図８（Ａ）ないし図８（Ｄ）と類似するが、トップ層において同じ色が同一の垂直線に配置されて、ＹＵＶ４２２パターンを形成する。図９（Ａ）〜図９（Ｄ）に示すように、トップ層の色がブランク、青、緑及びシアンから選択される四つ以下の色である。ボトム層の色がトップ層の対応する位置での色と直交する。需要に応じて様々な変更が可能であることが言うまでもない。
【００５４】
図１０（Ａ）ないし図１０（Ｄ）には、それぞれハニカムパターンに配列される二層構造の、フルスペクトルセンシング装置の実施例が示される。図８（Ａ）ないし図８（Ｄ）と類似するが、ハニカムパターンに配列される。図１０（Ａ）〜図１０（Ｄ）に示すように、ハニカムパターンが垂直配列でも水平配列でもいい。複数の変形も行われる。また、トップ層の色がブランク、青、緑及びシアンから選択される三つ以下の色である。ボトム層の色がトップ層の対応する位置での色と直交する。
【００５５】
トップ層の色がブランクであり、ボトム層の色がただ二色のスペクトルを含む場合に、センシング装置は二層構造から単層構造になる。即ち、図１１（Ａ）、図１１（Ｂ）に示すように、本発明にかかる単層構造のセンシング装置が二層構造のセンシング装置の一つの特例である。
【００５６】
図１１（Ａ）、図１１（Ｂ）には、対角パターンに配列される、可視光と赤外光が共にセンシングされる、単層構造のモノクロマルチスペクトルセンシング装置の実施例が示される。感光画素の一種は可視光（白）をセンシングし、他の感光画素は赤外又は赤外光＋可視光のスペクトル全体をセンシングする。図１１（Ａ）にしめすように、赤外カットフィルタが設けられており、白と赤外（又は白と白＋赤外）がＹＵＶ４２２パターンに配列される。
【００５７】
図１２（Ａ）、図１２（Ｂ）には、可視光と赤外光を共にセンシングする、二層構造のモノクロマルチスペクトルセンシング装置の実施例が示される。図１２（Ａ）は方形パターンで、図１２（Ｂ）はハニカムパターンであり、可視光と赤外光を共にセンシングする。トップ層が色をセンシングするか透明状態であり、ボトム層が赤外又は全整色（白＋赤外）をセンシングする。
【００５８】
図１３（Ａ）、図１３（Ｂ）には、可視光と赤外光を共にセンシングする、二層構造のマルチスペクトルセンシング装置の実施例及び変形例が示される。図１３（Ａ）、図１３（Ｂ）は例示するだけで、本発明の構造はこれに限られない。また、赤外が常にボトム層に位置され、独立する色であるか、白と組み合わせられる（例えば、白＋赤外又は赤＋赤外）。より高い空間的解像度を実現するために、同じ色を対角線に配置する。トップ層の色がブランク、青、緑及びシアンから選択される４つ以下の色であり、ボトム層の色がトップ層の対応する位置の色と直交するか相補する。
【００５９】
図１４（Ａ）、図１４（Ｂ）に示す、可視光と赤外光を共にセンシングする二層構造のカラーマルチスペクトルセンシング装置において、トップ層の色がブランク、青、緑及びシアンから選択される４つ以下の色であり、ボトム層の色がトップ層の対応する位置の色と直交するか相補する。また、赤外が常にボトム層に位置され、独立する色の状態であるか、白と組み合わせられる（例えば、白＋赤外又は赤＋赤外）。
【００６０】
図１５（Ａ）、図１５（Ｂ）に示す、可視光と赤外光を共にセンシングする二層構造のカラーマルチスペクトルセンシング装置において、トップ層の色がブランク、青、緑及びシアンから選択される３つ以下の色であり、ボトム層の色がトップ層の対応する位置の色と直交するか相補する。また、赤外が常にボトム層に位置され、独立する色の状態であるか、白と組み合わせられる（例えば、白＋赤外又は赤＋赤外）。
【００６１】
図１６（Ａ）、図１６（Ｂ）に示す、厳格に境界線に基づいて層が分けられる二層構造のカラーマルチスペクトルセンシング装置において、図１６（Ａ）には第一の境界線を使用し、図１６（Ｂ）には第二の境界線を使用する。本実施例には、白が境界線を上回るスペクトルを含むが、以上に言う通り、トップ層の対応する箇所がブランク又は透明であるので、白がボトム層でセンシングされ、且つボトム層でセンシングされるべきである。厳格に境界線に基づいて分けられる構成では、感光画素（フィルタが使用される）は、同じ高さに設定できる。また、この層は全体として厚さが均一である。さらに、このような厳格に境界線に基づいて分ける構成が以上に限られない。
【００６２】
以下、図８（Ａ）を例として、本発明にかかるフルスペクトルセンシング装置の製造方法を説明する。
【００６３】
１、一つのトップ層と一つのボトム層を製造し、トップ層に第一のグループの色（青、シアン及びブランク（透明））をセンシングするための感光画素と、ボトム層に第二のグループの色（黄、赤及び白）をセンシングするための感光画素を配置する。
【００６４】
２、ボトム層の色は、トップ層の対応する位置の色より波長が長く、且つトップ層の対応する位置の色のスペクトル総和であるトータル・スペクトルと可視光のスペクトル空間で直交する又は相補する。詳しくは、図８（Ａ）に示すように、トップ層の色が青である場合に、ボトム層の対応する位置の色が黄又は赤である；トップ層の色が青又はシアンである場合に、ボトム層の対応する位置の色が赤である；トップ層の色がブランクである場合に、ボトム層の対応する位置の色が任意の色でもいい。白色が選択されると、入射光のエネルギーを最大限に利用できる。
【００６５】
他の図面に示すフルスペクトルセンシング装置の製造方法、以上と同様又は類似するので、その説明を省略する。
【００６６】
トップ層とボトム層の色を変更したりその配列方法を変更することにより、上述した望ましい実施例と違う実施の形態を獲得できるのは言うまでもない。例えば、需要に応じて、中間層を設け、入射光のエネルギーを最大限に利用し、若しくは最も高い空間的解像度を得るという本発明の原則に従い、下の層でセンシングされる各色はそれぞれ、当該下の層より上の層の、対応する位置でセンシングされる色よりも長くなる波長を持ち、下の層でセンシングされる各色のスペクトルはそれぞれ可視光のスペクトル空間において、当該下の層より全ての上の層の、対応する位置でセンシングされる色のスペクトルの総和であるトータル・スペクトルと直交し、前記ボトム層でセンシングされる各色のスペクトルはそれぞれ可視光又は可視光及び赤外光のスペクトル空間において、当該下の層より全ての上の層の、対応する位置でセンシングされる色のスペクトルと直交する。更に、下の層でセンシングされる各色のスペクトルはそれぞれ可視光のスペクトル空間において、当該下の層より全ての上の層の、対応する位置でセンシングされる色のスペクトルの総和であるトータル・スペクトルと相補する。
【００６７】
要するに、本発明の主な精神は、感光画素を単層構造、二層構造又は多層構造に巧妙に構成することにより、完全な色再現を確保するうえに、比較的に低いコスト（多層）又は最低のコストで、入射光のエネルギーを最大限に利用し、もしくは最も高い空間的解像度を実現し、若しくは、最も広い色再現範囲を実現する。発明の詳細な説明の項においてなされた具体的な実施形態または実施例は、あくまでも、本発明の技術内容を明らかにするものであって、そのような具体例にのみ限定して狭義に解釈されるべきものではなく、本発明の精神と次に記載する請求の範囲内において、いろいろと変更して実施することができるものである。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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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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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【国際調査報告】
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