(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
Ｒ、Ｇ、Ｂの各波長域に光電変換特性のピーク感度をそれぞれ有する光透過性の光電変換素子が２次元アレイ状に配列されている第１の光電変換素子アレイと、
可視光の波長域においてほぼ均一な光電変換特性を有する光電変換素子が２次元アレイ状に配列され、各光電変換素子は、第１の光電変換素子アレイを透過した透過光を受光する第２の光電変換素子アレイと、
前記第１及び第２の光電変換素子アレイの各光電変換素子に発生した電荷を読み出す読出回路とを具え、
前記第１の光電変換素子アレイから読み出された信号を色信号として出力し、第２の光電変換素子アレイから読み出された信号を輝度信号として出力することを特徴とするカラー撮像装置。
【請求項２】
請求項１に記載のカラー撮像装置において、前記第１の光電変換素子アレイの各光電変換素子は、吸収極大波長において５０〜９０％の光透過率を有することを特徴とするカラー撮像装置。
【請求項３】
請求項１又は２に記載のカラー撮像装置において、前記第１の光電変換素子アレイの光電変換素子は、光透過性の有機化合物材料で構成され、前記第２の光電変換素子アレイの光電変換素子はシリコン系材料により構成されたことを特徴とするカラー撮像装置。
【請求項４】
請求項１〜３までのいずれか１項に記載のカラー撮像装置において、前記第１の光電変換素子アレイと第２の光電変換素子アレイとの間にマイクロレンズアレイを配置し、第１の光電変換素子アレイの各光電変換素子を透過した透過光が第２の光電変換素子アレイの対応する光電変換素子上に集光するように構成したことを特徴とするカラー撮像装置。
【請求項５】
基板上に形成した第２の撮像素子と、第２の撮像素子上に形成した光学的に透明な透明膜と、透明膜上に形成した第１の撮像素子とを有し、
前記第１の撮像素子は、Ｒ，Ｇ，Ｂの各波長域にピーク感度をそれぞれ有する光透過性の光電変換素子が２次元アレイ状に配列されている第１の光電変換素子アレイと、第１の光電変換素子アレイの各光電変換素子で発生した電荷を読み出す第１の読出回路とを有し、
前記第２の撮像素子は、可視光の波長域においてほぼ均一な光電変換特性を有する光電変換素子が２次元アレイ状に配列され、各光電変換素子は、第１の光電変換素子アレイを透過した透過光を前記透明膜を介して受光する第２の光電変換素子アレイと、第２の光電変換素子アレイの各光電変換素子で発生した電荷を読み出す第２の読出回路とを有し、
前記第１の光電変換素子アレイから読み出された信号を色信号として出力し、第２の光電変換素子アレイから読み出された信号を輝度信号として出力することを特徴とするカラー撮像装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、高感度特性を有するカラー撮像装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
現在のカラー撮像素子は、電荷結合素子（Charge Coupled Device：CCD）や相補型金属酸化物半導体(Complementary Metal−Oxide Semiconductor：CMOS)などの固体撮像素子を用い、受光面の画素毎に複数種類の色フィルタを設けた構造が主流となっている。よく知られた色フィルタの配列としてベイヤー配列が既知である。このフィルタ配列は、光の３原色である赤（Ｒ）、緑（Ｇ）、青（Ｂ）の光を透過するフィルタを画素毎に図１のように配列する。このベイヤー配列は、輝度信号の主成分であるＧの光が多く含まれるように配置することで解像度の低下を防ぎ、残りの位置にＲとＢのフィルタを配置したものである。他にも種々の配列があり、光の利用効率を高めることを目的とした、補色フィルタを用いる方式なども、特に動画撮影用に用いられることがある（例えば、特許文献１参照）。 しかし、ＣＣＤ等の固体撮像素子は素子自体の開口率（受光面の面積が素子全体の面積に占める割合）が低く、素子に入射した光の全てを電気信号に変換して取り出すことができないため、低照度時の感度が低くなってしまう。特に近年では画素ピッチの微細化が進み、１画素のサイズが２マイクロメートル角以下の素子も出現するようになった。画素サイズが小さくなると、１画素に入射する光の強度が減少するため、感度低下は大きな問題となっている。
【０００３】
固体撮像素子の有効開口率を高めるために、マイクロレンズと称される集光レンズを画素毎に配置することが知られている（例えば、特許文献２参照）。別の方法として、図２に示すように、前述したベイヤー配列の各色フィルタのうち、一部のフィルタを全色透過（Ｗ）として該当する画素から輝度情報を獲得することで、高感度化を図る方法が提案されている（例えば、特許文献３参照）。
【特許文献１】特開平２−２８０４９６号公報
【特許文献２】特開昭６１−６７００３号公報
【特許文献３】特開２００１−６９５１９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上述したマイクロレンズを用いて有効開口率を高める方法では、たとえマイクロレンズを用いても素子に入射した光の全てを集光することは困難であり、しかも、素子の周辺部では、マイクロレンズの集光点と各画素との間に位置ずれが生ずる等の問題もある。
また、ベイヤー方式において、Ｇのフィルタの半数をＷのフィルタで置換する方法は、高感度化に関して一定の効果が得られる。しかし、輝度に寄与する画素数（Ｗの画素数）が素子全体の１／４であり、色情報に寄与する画素数に関しては、Ｒ、Ｇ及びＢの各成分について等しく素子全体の１／４ずつとなる。この構成では、色情報についてはベイヤー方式（Ｇが素子全体の１／２、ＲとＢが１／４ずつ）よりも劣り、輝度情報はベイヤー方式に勝るものの、十分とは言い難いのが現状である。
【０００５】
本発明の目的は、上述した欠点を解消し、高精細で高感度なカラー撮像装置を実現することにある。
本発明の別の目的は、撮像装置が微細化して画素サイズが小さくなっても、良好な感度特性を有するカラー撮像装置を実現することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明によるカラー撮像装置は、Ｒ、Ｇ、Ｂの各波長域に光電変換特性のピーク感度をそれぞれ有する光透過性の光電変換素子が２次元アレイ状に配列されている第１の光電変換素子アレイと、
可視光の波長域においてほぼ均一な光電変換特性を有する光電変換素子が２次元アレイ状に配列され、各光電変換素子は、第１の光電変換素子アレイを透過した透過光を受光する第２の光電変換素子アレイと、
前記第１及び第２の光電変換素子アレイの各光電変換素子に発生した電荷を読み出す読出回路とを具え、
前記第１の光電変換素子アレイから読み出された信号を色信号として出力し、第２の光電変換素子アレイから読み出された信号を輝度信号として出力することを特徴とする。
【０００７】
本発明では、色信号を出力する第１の光電変換素子アレイと、第１光電変換素子アレイを透過した透過光を受光し、輝度信号を出力する第２の光電変換素子アレイとを有するので、カラーフィルタを用いる従来のカラー撮像装置とは基本的に異なり、入射した画像光のほぼ全体が光電変換に利用される。この結果、撮像装置が微細化して各画素に入射する光量が少なくなっても、高い解像度が得られ、良好な感度特性を有するカラー撮像装置が実現される。
【０００８】
本発明によるカラー撮像装置の好適実施例は、第１の光電変換素子アレイの各光電変換素子は、吸収極大波長において５０〜９０％の光透過率を有することを特徴とする。
【０００９】
本発明によるカラー撮像装置の別の好適実施例は、第１の光電変換素子アレイの光電変換素子は、光透過性の有機化合物材料で構成され、前記第２の光電変換素子アレイの光電変換素子はシリコン系材料により構成したことを特徴とする。
【００１０】
本発明によるカラー撮像装置の別の好適実施例は、第１の光電変換素子アレイと第２の光電変換素子アレイとの間にマイクロレンズアレイを配置し、第１の光電変換素子アレイの各光電変換素子を透過した透過光が第２の光電変換素子アレイの対応する光電変換素子上に集光するように構成したことを特徴とする。このように、２つの光電変換素子アレイ間にマイクロレンズアレイを配置することにより、第１の光電変換素子アレイと第２の光電変換素子アレイとの間で、開口率を揃えることが可能になる。
【００１１】
本発明によるカラー撮像装置は、基板上に形成した第２の撮像素子と、第２の撮像素子上に形成した光学的に透明な透明膜と、透明膜上に形成した第１の撮像素子とを有し、
前記第１の撮像素子は、Ｒ，Ｇ，Ｂの各波長域にピーク感度をそれぞれ有する光透過性の光電変換素子が２次元アレイ状に配列されている第１の光電変換素子アレイと、第１の光電変換素子アレイの各光電変換素子で発生した電荷を読み出す第１の読出回路とを有し、
前記第２の撮像素子は、可視光の波長域においてほぼ均一な光電変換特性を有する光電変換素子が２次元アレイ状に配列され、各光電変換素子は、第１の光電変換素子アレイを透過した透過光を前記透明膜を介して受光する第２の光電変換素子アレイと、第２の光電変換素子アレイの各光電変換素子で発生した電荷を読み出す第２の読出回路とを有し、
前記第１の光電変換素子アレイから読み出された信号を色信号として出力し、第２の光電変換素子アレイから読み出された信号を輝度信号として出力することを特徴とする。本例では、２つの撮像素子間に透明膜を介在させているので、基板上に２つの撮像素子を積層形成することが可能になる。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によるカラー撮像装置では、入射光のうちＲ，Ｇ，又はＢの１つの波長光の一部だけが第１の光電変換素子において吸収され、残りの全ての光は第２の光電変換素子アレイに入射して輝度情報の出力に寄与するため、原理的に入射光の全てが色信号及び輝度信号の生成に利用される。この結果、撮像装置の微細化に伴い、各画素当たりの入射光量が低下しても良好な感度特性のカラー撮像装置が実現される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
図３は本発明によるカラー撮像装置の基本構成を示す概念図である。本発明によるカラー撮像装置は、光の入射側より第１の光電変換素子アレイ１０と第２の光電変換素子アレイ１１とを有する二層構造とし、第１の光電変換素子アレイ１０により色成分を取得し、第２の光電変換素子アレイ１１により輝度成分を取得する。第１の光電変換素子アレイ１０は、Ｒ，Ｇ，Ｂの各波長域にピーク感度を有する光電変換素子が２次元アレイ状に配列され、各光電変換素子は光透過性を有する。第２の光電変換素子アレイ１１は、可視光の波長域にわたってほぼ一様な光電変換特性を有する光電変換素子（Ｗ）を２次元アレイ状に配列した構成を有し、各光電変換素子は、第１の光電変換素子アレイの対応する光電変換素子を透過した透過光を受光する。画像光が入射した際、第１の光電変換素子アレイの各光電変換素子で発生した電荷及び第２の光電変換素子アレイの各光電変換素子で発生した電荷は、読出回路によりそれぞれ読み出され、第１の光電変換素子アレイから読み出された出力信号は色信号として出力され、第２の光電変換素子アレイから読み出された出力信号は輝度信号として出力される。
【００１４】
本例では、ＲＧＢの各光電変換素子はサブピクセルを構成し、２個のＧのサブピクセルと、Ｒのサブピクセルと、Ｂのサブピクセルとの４個のサブピクセルで１個の画素を構成する。尚、図３に示す光電変換素子アレイはベイヤー配列により色情報を取得しているが、この他に、インターライン配列、ストライプ配列、斜めストライプ配列、ＧストライプＲＢ市松配列などの原色配列はもちろん、フィールド色差順次配列、フレーム色差順次配列、フレームインターリーブ配列、フィールドインターリーブ配列、ストライプ配列などの補色配列方式など、単板用の色フィルター配列で用いられている各種の方式を適用することができる。
【００１５】
図４は第１の光電変換素子アレイ１０の光透過に関する概念を説明する概念図である。初めに、Ｂの波長域の色情報を出力する光電変換素子１０ｂについて説明する。光電変換素子１０ｂに入射した画像光のうち、Ｇ光及びＲ光は当該光電変換素子においてほとんど吸収されることなく透過し、第２の光電変換素子アレイ１１の対応する光電変換素子（Ｗ）に入射し、輝度成分の出力に寄与する。入射したＢ光については、その一部が当該光電変換素子１０ｂで吸収されＢ色情報となり、残りの吸収されない成分は当該光電変換素子を透過し、第２の光電変換素子アレイの対応する光電変換素子（Ｗ）に入射し、輝度成分情報の出力に寄与する。光電変換素子の透過率は、ほぼ５０〜９０％に設定することが好ましい。すなわち、当該色の１０〜５０％の光が第１の光電変換素子アレイで吸収され、色情報に寄与することになる。光電変換素子１０ｂがＢの波長域の光の７０％を透過する場合の、波長全体に対する透過率を図５（ａ）に模式的に示す。
【００１６】
次に、Ｇの波長域の色情報を出力する光電変換素子１０ｇについて説明する。当該光電変換素子１０ｇに入射した画像光のうち、Ｒ光及びＢ光は当該光電変換素子において吸収されることなく透過し、第２の光電変換素子アレイ１１の対応する光電変換素子（Ｗ）に入射し、輝度成分の出力に寄与する。入射したＧ光については、その一部が当該光電変換素子１０ｇで吸収されＧ色情報となり、残りの吸収されない成分は当該光電変換素子を透過し、第２の光電変換素子アレイの対応する光電変換素子（Ｗ）に入射し、輝度成分情報の出力に寄与する。光電変換素子１０ｇの透過率は、ほぼ５０〜９０％に設定することが好ましい。すなわち、当該色の１０〜５０％の光が第１の光電変換素子アレイで吸収され、色情報に寄与することになる。光電変換素子１０ｇ光がＧの波長域の光の７０％を透過する場合の、波長全体に対する透過率を図５（ｂ）に示す。
【００１７】
最後に、Ｒ光の色情報を出力する光電変換素子１０ｒについて説明する。この光電変換素子１０ｒに入射した画像光のうち、Ｂ光及びＧ光は当該光電変換素子において吸収されることなく透過し、第２の光電変換素子アレイ１１の対応する光電変換素子（Ｗ）に入射し、輝度成分の出力に寄与する。入射したＲ光については、その一部が当該光電変換素子１０ｒで吸収されＲ色情報の出力に寄与し、残りの吸収されない成分は当該光電変換素子を透過し、第２の光電変換素子アレイの対応する光電変換素子（Ｗ）に入射して輝度成分情報の出力に寄与する。光電変換素子１０ｒの透過率は、ほぼ５０〜９０％に設定することが好ましい。すなわち、当該色の１０〜５０％の光が第１の光電変換素子アレイで吸収され、色情報の出力に寄与することになる。光電変換素子１０ｒ光がＧの波長域の光の７０％を透過する場合の、波長全体に対する透過率を図５（ｃ）に示す。
【００１８】
本発明では、色情報を出力する第１の光電変換素子アレイの各光電変換素子は、可視域において光透過性であるから、第２の光電変換素子アレイ１１は、第１の光電変換素子アレイを透過した光の全て波長域の光を受光する。すなわち、カラー撮像装置を構成する全ての画素においてＲ，Ｇ，Ｂの全ての波長光の輝度成分を含む輝度信号が出力される。
【００１９】
次に、本発明のカラー撮像装置の具体的構成について説明する。図６は本発明によるカラー撮像装置の一例を示す線図的断面図である。本例では、第１及び第２の光電変換素子アレイで発生した電荷を独立した読出回路により読み出す構成例について説明する。本例のカラー撮像装置は、第１の光電変換素子アレイを含む第１の撮像素子２０と、第２の光電変換素子アレイを含む第２の撮像素子３０とを貼り合わせた構造を有し、第１の撮像素子２０から色信号を出力し、第２の撮像素子３０から輝度信号を出力する。
【００２０】
第１の撮像素子２０は、画像光が入射する側から、透明電極層２１、光電変換素子アレイ２２、画素電極２３、及び、透明基板上に形成された読出回路２４を順次配列した構造とする。光電変換素子アレイ２２は、ＲＧＢの波長域の光に対してそれぞれピーク感度を有する光電変換素子２２ｒ，２２ｇ，２２ｂが２次元アレイ状に配列された構造を有する。各光電変換素子は、有機系の光電変換材料で構成することができ、例えば、Ｒの波長域にピーク感度を有する材料としてフタロシアニン誘導体が用いられ、Ｇの波長域にピーク感度を有する有機材料としてペリレン誘導体が用いられ、Ｂの波長域にピーク感度を有する有機材料としてポルフィリン誘導体が用いられる。それら以外の材料として、アクリジン、クマリン、キナクリドン、シアニン、スクエアリリウム、オキサジン、キサンテントリフェニルアミン、ベンジジン、ピラゾリン、スチルアミン、ヒドラゾン、トリフェニルメタン、カルバゾール、ポリシラン、チオフェン、ポリアミン、オキサジアゾール、トリアゾール、トリアジン、キノキサリン、フェナンスロリン、フラーレン、アルミニウムキノリン、ポリパラフェニレンビニレン、ポリフルオレン、ポリビニルカルバゾール、ポリチオール、ポリピロール、ポリチオフェンおよびこれらの誘導体を単独で、もしくは、これらに代表される有機材料を２種類以上混合ないし積層することにより光電変換素子を形成することが可能である。
【００２１】
光電変換素子の膜厚は、１０ｎｍ〜５μｍがよく、５０ｎｍ〜１μｍが好適である。尚、光電変換素子アレイ２２の上側に透明電極層２１が形成されるため、ＲＧＢの光電変換素子の膜厚がほぼ同一となるように形成する。光電変換素子アレイの形成方法として、マスクを用いた真空蒸着法、露光染色法、エッチング、印刷法、インクジェット法等を適用することが可能である。
【００２２】
光電変換素子アレイ２２の上側（画像光が入射する側）に透明電極層２１を形成する。この透明電極層は、光電変換素子に電圧を印加するためのものであり、可視光が透過する透明性の高い種々の光学材料を用いることができる。一例として、インジウム錫酸化膜（ITO）などの無機透明電極膜もしくはPolyethylene dioxythiophene polystyrene sulphonate (PEDT/PSS)などの有機透明導電膜が用いられる。透明電極層２１に印加する電圧は、光電変換素子にかかる電界として１０３〜１０７Ｖ／ｃｍの範囲がよく、一般的には１０４〜１０６Ｖ／ｃｍ程度の電界が形成されるように電圧を設定する。
【００２３】
第１の光電変換素子アレイの下側には、画素電極２３のアレイを形成する。画素電極２３も可視光が透過する透明性の高い光学材料で構成する。一例として、インジウム錫酸化膜（ITO）などの無機透明電極材料もしくはPolyethylene dioxythiophene polystyrene sulphonate (PEDT/PSS)などの有機透明導電膜が用いられる。
【００２４】
符号２４は、各光電変換素子に蓄積された電荷を読み出す信号読出回路を示し、信号読出回路として例えば薄膜トランジス(TFT)アレイを用いることができる。この薄膜トランジスタは、ガラス基板上に形成される一般的なものでよく、TFTアレイの基本構造を図７に示す。図７はTFTアレイの基本構造を示す線図的平面図である。各TFTは、ガラス基板上に形成したゲート電極４１、半導体層４２、ソース電極４３、ドレイン電極４４により構成される。TFTの上側には画素電極２３が形成され、画素電極２３はTFTのソースに接合する。電極及び配線には金属材料が用いられ、半導体層にはアモルファスシリコンや多結晶シリコンなどが用いられる。尚、TFTの開口率を高めたい場合には、電極及び配線材料としてITOなどの透明電極材料、半導体層としてZnOやInGaZnO4  など、結晶系もしくは非晶質系の透明半導体材料が用いられる。
【００２５】
次に、第２の撮像素子３０について説明する。第２の撮像素子３０は、第２の光電変換素子アレイと、各光電変換素子で発生した電荷を読み出す読出回路とで構成する。この第２の撮像素子３０は、可視光の波長域の全域にわたって光電変換特性を有する必要があり、通常の撮像素子として一般に用いられている電荷結合素子（Charge Coupled Device：CCD）や相補型金属酸化物半導体（Complementary Metal- Oxide Semiconductor：CMOS）などを用いた固体撮像素子が最も好適である。また、アモルファスシリコン、化合物半導体材料などの無機材料、可視域全域にわたって感度を有する有機半導体材料等を光電変換素子として用い、これらの膜を積層したCCD撮像素子、CMOS撮像素子、TFT撮像素子などを用いてもよい。
【００２６】
図６に示す実施例の第２の撮像素子３０は、受光部としてCCD固体撮像素子を用いる。第２の撮像素子３０は半導体基板３１を有し、半導体基板上に２次元アレイ状に形成した光電変換素子３２と、光電変換素子間に形成した電荷転送電極３３と、電荷転送電極３３上に形成した遮光膜３４とを有する。第１の撮像素子２０の各光電変換素子２２ｒ、２２ｇ、２２ｂをそれぞれ透過した光は第２の撮像素子の対応する光電変換素子に入射し、入射光量に対応した光電荷が発生する。各光電変換素子に蓄積された電荷は、転送スイッチにより電荷転送電極に順次転送され、順次読み出される。
【００２７】
ＣＣＤ撮像素子では、不可避的に電荷転送電極と光電変換素子とが同一平面状に形成されるため、素子の開口率が低くなる。そのため、第１の撮像素子の画素電極２３の表面積に対して、第２の撮像素子の光電変換素子の表面積が小さくなり、第１の撮像素子と第２の撮像素子とで開口率が異なってしまう。そこで、第１の撮像素子と第２の撮像層との間にマイクロレンズアレイ（層間レンズアレイ）を配置し、第１の光電変換素子アレイの各光電変換素子から透過した透過光をマイクロレンズを介して第２の撮像素子の対応する光電変換素子上に集光させ、第１の光電変換素子アレイと第２の光電変換素子アレイの開口率を揃えることも可能である。この実施例を図８に示す。本例では、第２の撮像素子３０の光電変換素子アレイ及び電荷転送電極上に透明膜５１を形成し、この透明膜の表面を平坦化し、その上にマイクロレンズアレイ５２を設ける。透明膜５１の材料として、各種の光学的に透明な材料を用いることができ、例えばボロンリンガラスを用いることができる。また、マイクロレンズの材料として、窒化シリコン、ポリイミド樹脂、ポリスチレン樹脂を用いることができる。
【００２８】
図９は本発明によるカラー撮像装置の変形例を示す線図的断面図である。図６に示すカラー撮像装置は、色信号を出力する第１の撮像素子と、輝度信号を出力する第２の撮像素子とを別体構造とし、これら２つの撮像素子を各光電変換素子が互いに対向するように貼り合わせて１つのチィップとして構成した。これに対して、本例では、薄膜積層技術及びエッチング技術を利用して単一の基板上に第１及び第２の撮像素子を積層形成した構造である。基板として、シリコン基板６０を用意し、シリコン基板６０上にCMOSが２次元アレイ状に形成されたCMOS部６１を形成する。各CMOSは受光素子６２を有する。受光素子６２は、例えばポリシリコン膜を形成し、フォトリソグラフィにより形成することができる。これにより、第２の撮像素子３０が基板６０上に形成される。
【００２９】
次に、CMOS部６１上に光学的に透明な透明膜（平坦化層）６３を堆積する。透明膜は、例えばCVD法により酸化シリコンや窒化シリコンを堆積することができる。次に、透明膜６３の表面を、例えばCMP（Chemical Mechanical Polishing ）により平坦面となるように鏡面研磨する。さらに、鏡面研磨された透明膜６３上に第１の撮像素子２０の読出回路を構成するTFTアレイ層６４を形成する。
【００３０】
TFTのアレイ上に、例えばCVD法により酸化シリコンの第２の透明膜（平坦化層）を堆積し、鏡面研磨を行い、光学的に透明な透明膜（図示せず）を形成する。さらに、透明膜上にITOの画素電極６５のアレイを形成する。画素電極のアレイ上に第１の光電変換素子アレイを形成し、その上に例えばITOの透明電極層６６を形成し、本発明によるカラー撮像装置が完成する。
【００３１】
図１０は本発明によるカラー撮像装置の別の変形例を示す線図的断面図である。本例では、図９に示すカラー撮像装置をベースにして、第１及び第２の撮像素子２０及び３０を同一の読出回路で駆動する例を示す。尚、図９で用いた構成要素と同一の構成要素には同一符号を付して説明する。CMOS部６１上に形成した透明膜（層間絶縁膜）６３に微細孔を形成し、この微細孔に導体７０を形成し、この導体７０の一端を第１の撮像素子の画素電極６５に接続する。第２の撮像素子のCMOS部６１のCMOS形成領域内に電荷蓄積部７１をそれぞれ形成する。そして、第１の撮像素子の画素電極と第２の撮像素子の対応するCMOSの領域に形成した電荷蓄積部７１とを導体７０により相互に接続する。画像光が入射すると、第1の撮像素子の光電変換素子に入射した入射光の強度に対応した電荷が発生し、発生した電荷に対応する電荷が各電荷蓄積部７１にそれぞれ蓄積される。従って、電荷蓄積部７１に蓄積された電荷をCMOS読出回路により順次読み出すことにより、第１及び第２の撮像素子を同一の読出回路で駆動することができる。尚、第２の撮像素子の受光部以外の領域に光が入射するのを防止するため、遮光部７２を設けることが望ましい。
【００３２】
本発明によるカラー撮像装置では、色情報成分Ｒ，Ｇ，Ｂに関しては第１の撮像素子により、輝度成分Ｗに関しては第２の撮像素子により得られるが、輝度成分Ｗについては、Ｒ、Ｇ及びＢの各成分光の一部が第１の光電変換素子アレイで吸収されるので、その吸収成分だけ減少した輝度信号が出力されることになる。しかし、この吸収成分については、信号処理回路において補完することが可能である。すなわち、色信号を出力する第１の撮像素子のＲＧＢの各光電変換素子における吸収率は予め既知であるため、既知の吸収率を用いて第２の撮像素子で得られた輝度成分の値を補正することができる。
【００３３】
従来のカラー撮像装置では、例えば原色方式の場合、レンズを通して入射した光のうちカラーフィルタを透過した一部の光による色信号（Ｒ，Ｇ，Ｂ信号）に基づいて輝度信号が取得されている。これに対して、本発明では、原理的にレンズを通して入射した全ての光に基づいて輝度信号が生成されるため、従来のカラー撮像装置に比べて一層高感度な撮像装置が実現される。
【００３４】
さらに、本発明により得られる色情報は、従来の原色配列方式、あるいは補色配列方式によるものであるため、信号処理回路に関しても従来の各種方式をそのまま適用することが可能であり、従来のカラー撮像装置と同等の色再現性を得ることができる。
【実施例】
【００３５】
［カラー撮像装置の作製］
（第１の撮像素子）
第１の光電変換素子アレイの信号読出回路として、アモルファスシリコン（ａ−Ｓｉ）を半導体層に用いたTFTを選択した。厚さが０．２ｍｍのガラス基板上に、ゲート電極としてアルミニウムを５０ｎｍの厚さで形成した後に、プラズマＣＶＤ法によりゲート絶縁膜としてＳｉＮ膜を１５０ｎｍの厚さに、半導体層としてａ−Ｓｉ膜を１００ｎｍの厚さに連続して形成した。ａ−Ｓｉ膜を形成する際には、基板温度を３００℃に設定した。その後、ソース電極及びドレイン電極としてアルミニウムを１００ｎｍの厚さに形成し、画素電極としてITO薄膜を１５０ｎｍの厚さにスパッタ成膜してTFTを完成した。画素サイズは200×200μｍで、画素数は64×64とし、TFTの開口率(光透過率)は８３％である。
【００３６】
光電変換素子として、Ｂの波長域にのみ感度を有する有機材料としてポルフィリン誘導体を用い、Ｇの波長域にのみ感度を有する有機材料としてペリレン誘導体を用い、Ｒにのみ感度を有する有機材料にはフタロシアニン誘導体をそれぞれ選択した。マスクを用いた真空蒸着法により上記光電変換材料の膜がベイヤー配列になるようにTFT基板上に蒸着して光電変換素子アレイを形成した。全ての材料層の厚さは１５ｎｍに統一し、その上にバッファ層としてナフタレン誘導体を２００ｎｍの厚さに一様に形成し、その上に厚さ２０ｎｍのITOの透明電極をスパッタ法により成膜した。これにより、第１の撮像素子が完成した。
【００３７】
（第２の撮像素子）
第２の撮像素子として、一般的に用いられているCMOSイメージセンサを用いた。このCMOSイメージセンサの画素サイズ及び画素数は、第１の撮像素子と等しくし、画素サイズは200×200μｍとし、画素数は６４×６４画素とした。第１の撮像素子と第２の撮像素子とを各画素が互いに一致するように貼り合わせてカラー撮像装置が完成した。
【００３８】
［カラー撮像装置の特性］
第１の撮像素子の各光電変換素子の光透過率を図１１に示す。Ｂの波長域に感度を有する光電変換素子の吸収ピークは４００ｎｍ付近に位置し、Ｇの波長域に感度を有する光電変換素子の吸収ピークは５００ｎｍ付近に位置し、Ｒの波長域に感度を有する光電変換素子の吸収ピークは６２０ｎｍ付近に位置する。これら光電変換素子の吸収極大波長の透過率は、Ｂの波長域に感度を有する光電変換素子の透過率は７０％であり、Ｇの波長域に感度を有する光電変換素子の透過率は７２％であり、Ｒの波長域に感度を有する光電変換素子の透過率は６５％であった。
【００３９】
図１２は第１の撮像素子の各光電変換素子の分光感度特性を示す。横軸は波長（ｎｍ）を示し、縦軸は光電流値（規格化された値）を示す。電極間に印加した電圧は１０Ｖである。Ｂの波長域に感度を有する光電変換素子の分光感度のピークは４００ｎｍ付近に位置し、Ｇの波長域に感度を有する光電変換素子のピークは５３０ｎｍ付近に位置し、Ｒの波長域に感度を有する光電変換素子のピークは、６００ｎｍ付近に位置した。この実験結果より、第１の撮像素子の各光電変換素子が波長選択性を有していることが確認された。また、各光電変換素子の量子効率（出力電子数／照射光子数）については、Ｂの波長域に感度を有する光電変換素子が０．０９（９％）であり、Ｇの波長域に感度を有する光電変換素子は０．１１（１１％）であり、Ｒの波長域に感度を有する光電変換素子は０．１（１０％）であった。尚、比較のために、第２の撮像素子の分光感度特性を破線で示す。第２の撮像素子の光電変換特性は、４００〜７００ｎｍの可視域においてほぼ均一な光電変換特性であった。
【００４０】
第１の撮像素子からの出力信号を色信号とし、第２の撮像素子からの出力信号を輝度信号としてカラー撮像を行った。比較例として、第２の撮像素子と同一構造のものを用い、その前面にカラーフィルタをベイヤー配置した従来のカラー撮像装置を作成して比較実験を行った。同一の撮像条件で同一の被写体を撮像したところ、色再現性については、本発明によるカラー撮像装置と比較例のカラー撮像装置はほぼ同等の再現性が得られた。しかし、感度特性に関しては、本発明によるカラー撮像装置は、比較例のカラー撮像装置よりも２．１倍感度が高いことが確認された。
【図面の簡単な説明】
【００４１】
【図１】ベイヤー配列のカラーフィルタを示す図である。
【図２】ベイヤー配列のカラーフィルタの一部のフィルタ素子を全色透過フィルタで置換した例を示す図である。
【図３】本発明によるカラー撮像装置の基本概念を説明するための図である。
【図４】第1の光電変換素子アレイの作用を説明するための図である。
【図５】ＲＧＢの各光電変換素子の透過率の波長依存性を示すグラフである。
【図６】本発明によるカラー撮像装置の一例を示す線図的断面図である。
【図７】TFTアレイの基本構造を示す線図的平面図である。
【図８】本発明によるカラー撮像装置の変形例を示す線図的断面図である。
【図９】本発明によるカラー撮像装置の別の変形例を示す線図的断面図である。
【図１０】本発明によるカラー撮像装置の別の変形例を示す線図的断面図である。
【図１１】実施例で製作したカラー撮像装置の第１の光電変換素子アレイの各素子の光透過率の波長依存性を示すグラフである。
【図１２】実施例で製作したカラー撮像装置の光電変換素子の光電変換特性を示すグラフである。
【符号の説明】
【００４２】
１０  第１の光電変換素子アレイ
１１  第２の光電変換素子アレイ  
２０  第１の撮像素子
２１  透明電極層
２２  光電変換素子アレイ
２３  画素電極
２４  読出回路
３０  第２の撮像素子
３１  半導体基板
３２  光電変換素子
３３  電荷転送電極
３４  遮光膜
４１  ゲート電極
４２  半導体層
４３  ソース電極
４４  ドレイン電極
５１  透明膜
５２  マイクロレンズアレイ
６０  シリコン基板
６１  CMOS部
６２  受光素子
６３  透明膜
６４  TFTアレイ
６５  画素電極
６６  透明電極層
７０  導体
７１  電荷蓄積部
７２  遮光部
【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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