(57)【要約】【課題】１画素で複数種類の波長の光を選択的に透過させて検出できるようにすることにより、カラーイメージセンサーの小型化と画像の再現性向上を実現する。【解決手段】カラーイメージセンサーは、透過光の波長を制御可能なカラーフィルター２０と、カラーフィルター２０を透過した透過光をそれぞれが受光して電気信号を出力する複数のフォトダイオード領域５と、層間絶縁膜４と、複数のマイクロレンズ２と、を有する。カラーフィルター２０は、互いに平行で透過光を透過する下部干渉膜１ａおよび上部干渉膜１ｂと、これら干渉膜の間隔を変化させるための下部動作制御電極７ａおよび上部動作制御電極７ｂならびに支持構造体８を有する。干渉膜の間隔を変化させ、時間をずらして１画素で複数種類の波長の光を検出する。【選択図】図１
2009080356.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
透過光の波長を制御可能なカラーフィルターであって、
互いに平行で前記透過光を透過する複数枚の干渉膜の組と、
前記干渉膜の組の干渉膜同士の間隔を変化させるために前記干渉膜の少なくとも１つを駆動する駆動機構と、
を有することを特徴とするカラーフィルター。
【請求項２】
複数の画素を配列したイメージセンサー用のカラーフィルターであって、
前記複数枚の干渉膜の組が前記複数の画素全体に共通して対応するように配置されていること、を特徴とする請求項１に記載のカラーフィルター。
【請求項３】
複数の画素を配列したイメージセンサー用のカラーフィルターであって、
前記複数枚の干渉膜の組が前記複数の画素それぞれに対応して個別に配置され、
前記駆動機構は前記複数枚の干渉膜の組それぞれの間隔を個別に変化させるものであること、を特徴とする請求項１に記載のカラーフィルター。
【請求項４】
互いに平行で透過光を透過する複数枚の干渉膜の少なくとも一つの組を有するカラーフィルターと、
複数が２次元的に配列されて前記カラーフィルターを透過した透過光をそれぞれが受光して電気信号を出力する光電変換部と、
前記複数枚の干渉膜の少なくとも１つを駆動して当該複数枚の干渉膜の組の中の干渉膜同士の間隔を変化させることによって当該干渉膜の組を透過する透過光の波長を変化させる駆動機構と、
を有することを特徴とするカラーイメージセンサー。
【請求項５】
前記カラーフィルターの透過光の波長の変化を利用することにより各光電変換部で複数種類の波長の光を、時間をずらして検出するように構成されていることを特徴とする請求項４に記載のカラーイメージセンサー。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、カラーフィルターおよびカラーイメージセンサーに関する。
【背景技術】
【０００２】
一般的にカラーイメージセンサーの動作において１画素が検出できる光の色、つまり波長帯はその構造から上部のカラーフィルターにより１色に限定されている。多くのイメージセンサーではＲＧＢ（赤・緑・青）のカラーフィルターを各画素に１色ずつ規則的に配列させて、赤色のカラーフィルターの画素では赤色の検出を、緑・青色においても同様に検出している。そのため画像を再現するときには、一つの赤色のカラーフィルターの画素の緑・青色を再現するために隣接する緑色の画素や青色の画素の情報を元に信号処理で緑・青色の強度を算出する。緑画素の赤色・青色信号も、青色画素の赤色・緑色信号も同様に信号処理で再現される。
【特許文献１】特開２００５−３０８８７１号公報
【特許文献２】特開２００５−７７７１８号公報
【特許文献３】特開２００６−２０７７８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
従来のカラーイメージセンサーでは、各画素に１色ずつを割り振って処理する。そのため、急激な空間的色変化を伴う被写体や偏った色の被写体を再現する際には画像がもとの被写体に対してぼけたような画像になってしまったりして、再現性が低下してしまう。また画素数の多いイメージセンサーでは１画素の構造体が小さくなり、フォトダイオードなどの光を検出する素子が十分な強度の光を受けられないことが問題となる。
【０００４】
なお、多層膜干渉フィルターを用いた撮像装置も知られている（特許文献１参照）。また、反射型カラー表示装置に干渉膜を用いる技術も知られている（特許文献２、３参照）。
【０００５】
本発明は、１画素で複数種類の波長の光を選択的に透過させて検出できるようにすることにより、カラーイメージセンサーの小型化と画像の再現性向上を実現することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の一実施形態に係るカラーフィルターは、透過光の波長を制御可能なカラーフィルターであって、互いに平行で前記透過光を透過する複数枚の干渉膜の組と、前記干渉膜の組の干渉膜同士の間隔を変化させるために前記干渉膜の少なくとも１つを駆動する駆動機構と、を有することを特徴とする。
【０００７】
また、本発明の一実施形態に係るカラーイメージセンサーは、互いに平行で透過光を透過する複数枚の干渉膜の少なくとも一つの組を有するカラーフィルターと、複数が２次元的に配列されて前記カラーフィルターを透過した透過光をそれぞれが受光して電気信号を出力する光電変換部と、前記複数枚の干渉膜の少なくとも１つを駆動して当該複数枚の干渉膜の組の中の干渉膜同士の間隔を変化させることによって当該干渉膜の組を透過する透過光の波長を変化させる駆動機構と、を有することを特徴とする。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、干渉膜同士の距離を変化させることによって透過光の波長を制御でき、これにより、１画素で複数種類の波長の光を選択的に透過させて検出できる。これにより、カラーイメージセンサーの小型化と画像の再現性向上を実現できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
以下に、図面を参照しながら、本発明に係るカラーイメージセンサーの実施形態について説明する。
【００１０】
［第１の実施形態］
本発明に係るカラーイメージセンサーの第１の実施形態の構成について、図１（ａ）ないし図１（ｃ）を参照して説明する。ここに、図１（ａ）は第１の実施形態のカラーイメージセンサーを示す模式的断面図、図１（ｂ）は図１（ａ）のカラーイメージセンサーの模式的平面図、図１（ｃ）は図１（ｂ）のＡ−Ａ矢視断面とＢ−Ｂ矢視断面とを重ね合わせて示す模式的断面図である。
【００１１】
基板６の上に、各画素に対応する複数の光電変換部たるフォトダイオード領域５が縦横に配列され、その上に層間絶縁膜４が形成されている。層間絶縁膜４内には図示しない配線層が形成されている。層間絶縁膜４の上にカラーフィルター２０が配置され、さらにその上に、個々のフォトダイオード領域５に対応させて複数のマイクロレンズ２が配列されている。図示の例では画素が縦横に３×３に配列されているが、典型的には画素数がもっと多く、たとえば数百万画素が平面的に配列されたものでよい。
【００１２】
この実施形態では、一つのカラーフィルター２０が複数のフォトダイオード領域５の配列全体を共通に覆うように配置されている。カラーフィルター２０は、層間絶縁膜４に接する下部干渉膜１ａと、下部干渉膜１ａに対して平行に配置された上部干渉膜１ｂとを有する。下部干渉膜１ａと上部干渉膜１ｂは、たとえばアモルファスシリコンなどの安定的な膜で形成する。下部干渉膜１ａと上部干渉膜１ｂの間には光路の邪魔にならない周辺部に支持構造体８があって、下部干渉膜１ａと上部干渉膜１ｂの間に空隙２１が形成されるようになっている。
【００１３】
下部干渉膜１ａの下面には下部動作制御電極７ａが取り付けられ、上部干渉膜１ｂの上面には上部動作制御電極７ｂが取り付けられている。下部動作制御電極７ａと上部動作制御電極７ｂは互いに光路方向に向き合う位置で、光路の邪魔にならない周辺部に配置されている。下部動作制御電極７ａと上部動作制御電極７ｂとの間に電位差を与えると両電極間に静電力が加わり、支持構造体８が変形して上部干渉膜１ｂが上下に移動し、下部干渉膜１ａと上部干渉膜１ｂの間の間隔が変化するように構成されている。下部干渉膜１ａと上部干渉膜１ｂの間の間隔が変化することによって、干渉される光の波長が変化し、このカラーフィルター２０を透過する光の波長が可変となる。
【００１４】
図１（ａ）および図１（ｃ）に示すように、互いに隣接するマイクロレンズ２を透過した光同士が干渉するのを防ぐために、層間絶縁膜４内に遮光金属層３が形成されている。
【００１５】
また、図１（ｃ）に示すように、下部干渉膜１ａと上部干渉膜１ｂの間の距離を測定するための距離計４０が配置されている。
【００１６】
上記構成で、各マイクロレンズ２から入射された光はカラーフィルター２０を透過するときに特定の波長に限定され、フォトダイオード領域５に到達する。そしてフォトダイオード領域５で光電変換され、電気画像データ信号として検出される。
【００１７】
その後、下部干渉膜１ａと上部干渉膜１ｂの間の距離を変化させ、同様に画像データ信号を検出することにより、異なる色のデータを得ることができる。このようにして、たとえば、３回のデータ検出によってＲＧＢの各色データを検出できる。これらの色のデータを重ね合わせることにより、カラー画像を再現できる。
【００１８】
このように、全画素で、検出したい色の数だけ、時間をずらして撮像、つまり色の検出を行ない、信号処理でそれらの色を重ね合わせて画像を作り出す。ＭＥＭＳの動作速度は数十μｓｅｃ程度であると考えられるので、ＡＤＣ（Analog to Digital Converter）やフォトダイオードなどの周辺素子の性能を上げることで高速の撮影にも対応可能である。
【００１９】
なお、この実施形態のイメージセンサーの方式としては、ＣＣＤ（Charge Coupled Device）イメージセンサーにもＣＭＯＳ型（Complimentary Metal Oxide Semiconductor）イメージセンサーにも適用できる。
【００２０】
この実施形態によれば、下部干渉膜１ａと上部干渉膜１ｂの間隔は電位差により連続的に変化可能であるために、ＲＧＢのみでなく基本的には全ての色を再現できる。これによりＲＧＢ以外の色の検出が可能となり、色再現性が上がる。
【００２１】
ここで、特定の色の検出の都度、下部干渉膜１ａと上部干渉膜１ｂの間隔を所定の範囲に制御することも可能であるが、他の方法としては、撮影時にカラーフィルター２０を連続的・周期的に動作させて、カラーフィルター２０の高さを距離計４０によって常にモニターしておくことで、検出したい色を実現する高さのときの画像信号を読み取るという動作も可能である。この動作モードはカラーフィルター２０の動作を精密に制御する必要をなくし、高さ検出の精度で色の精度が決まるので、ＭＥＭＳ構造体をより簡単な構造にできる。
【００２２】
つぎに、この第１の実施形態のカラーイメージセンサーの製造工程について、図１（ｄ）および図２を用いて説明する。ここで、図１（ｄ）は第１の実施形態のカラーイメージセンサーの製造工程における完成状態を示す模式的断面図であり、図２は図１（ｄ）のカラーイメージセンサーの製造工程を示す模式的断面図である。図１（ｄ）は図１（ｃ）と基本的に同じであるが、図１（ｄ）では、図１（ｃ）の上部動作制御電極７ｂと支持構造体８が一体に形成されている。
【００２３】
はじめに、図２（ａ）に示すように、基板６の上に、各画素に対応する複数のフォトダイオード領域５を縦横に配列し、その上に層間絶縁膜４および層間絶縁膜４内の遮光金属層３を形成する。そして、層間絶縁膜４の上に下部干渉膜１ａを形成する。ここまでの工程は従来技術と同様である。つぎに、図２（ｂ）に示すように、下部干渉膜１ａの上に下部動作制御電極７ａを形成する。つぎに、図２（ｃ）に示すように、下部干渉膜１ａおよび下部動作制御電極７ａの上に犠牲層３０の堆積とそのパターニングを行なう。
【００２４】
つぎに、図２（ｄ）に示すように、犠牲層３０の上に上部干渉膜１ｂの堆積とそのパターニングを行なう。つぎに、図２（ｅ）に示すように、上部干渉膜１ｂの上に、上部動作制御電極７ｂおよび支持構造体８を含む金属層の堆積とそのパターニングを行なう。つぎに、図２（ｆ）に示すように、上部干渉膜１ｂの上にマイクロレンズ２を形成する。そして最後に犠牲層３０を除去すると、図１（ｄ）に示す状態になる。
【００２５】
なお、上記の手順の変形例として、上部干渉膜１ｂと上部動作制御電極７ｂの形成の順序を逆にすることもできる。また、下部動作制御電極７ａを、配線層を含む層間絶縁膜４と同時に形成して、下部動作制御電極７ａを下部干渉膜１ａの下側に形成する構造とすることも可能である。
【００２６】
この第１の実施形態によれば、一つの画素で、時間をずらして複数種類の色を検出することができる。これにより、画素数を増やさずに精細な画像のデータを取得できる。
【００２７】
干渉膜の距離を連続的に変化可能な構造であるので、１画素で任意の波長の光が検出できる。そのためＲＧＢだけでなく、他の色の検出も可能となり、画像の再現性が向上する。さらに１画素で画像再現のために必要な色を全て検出できるために、従来のような画素の色補正が必要なくなり、信号量が上がるために画像の再現性が向上する。干渉膜・支持構造体など信頼性の高い材料で実現できるので、従来の有機膜のカラーフィルターで問題になった信頼性の劣化が改善される。
【００２８】
さらに、本構造体は干渉膜１ａ、１ｂをアモルファスシリコンなどの安定的な膜で実現でき、支持構造体８も絶縁膜で実現可能であるので、材料選択により高い信頼性も実現可能である。
【００２９】
特にこの実施形態の全画素一体型のＭＥＭＳカラーフィルターによれば、動作制御電極７ａ、７ｂや支持構造体８を画素内に作りこむ必要がなく、単純な構造にできるために作製プロセスが容易になる。
【００３０】
［第２の実施形態］
つぎに、本発明に係るカラーイメージセンサーの第２の実施形態について、図３および図４を参照して説明する。ただし、第１の実施形態と同一または類似の部分には共通の符号を付して、重複説明は省略する。図３（ａ）は第２の実施形態のカラーイメージセンサーを示す模式的断面図、図３（ｂ）は図３（ａ）のカラーイメージセンサーの模式的平面図、図３（ｃ）は図３（ｂ）のカラーイメージセンサーの１画素相当部分を示す模式的平面図、図４（ａ）は図３（ｃ）のIVa−IVa線矢視断面図、図４（ｂ）は図３（ｃ）のIVb−IVb線矢視断面図である。
【００３１】
この実施形態では、画素ごとに上部干渉膜１ｂが分離されており、下部干渉膜１ａと上部干渉膜１ｂの間隔を個別に変化させるように、ＭＥＭＳ動作部である下部動作制御電極７ａ、上部動作制御電極７ｂおよび支持構造体８も画素ごとに別個に構成されている。この場合、下部動作制御電極７ａ、上部動作制御電極７ｂおよび支持構造体８は、マイクロレンズ２のギャップレス化に邪魔にならないように、マイクロレンズ２に対して対角線上に配置する。このように配置することにより、ギャップレスにマイクロレンズ２をアレイ配置することができる。
【００３２】
この実施形態では画素ごとにＭＥＭＳ動作が可能な構造のＭＥＭＳカラーフィルターが実現できることから、たとえばＲＧＢなどの基本的な色を検出した後に、画像の中で色の変化が急激な部分や色の偏っている部分に対して、画像再現に重要な色を信号処理で算出してその色を画素ごとに個別に検出できる。たとえば、偏った色に対してはその色の波長付近を重点的に検出したり、急激な色の変化の部分のみさらに色の検出を行なうことができる。
【００３３】
以上説明したように、本発明に係るカラーイメージセンサーは、たとえば次のものを含んでいる。
【００３４】
（１）  互いに平行で透過光を透過する複数枚の干渉膜の少なくとも一つの組を有するカラーフィルターと、
複数が２次元的に配列されて前記カラーフィルターを透過した透過光をそれぞれが受光して電気信号を出力する光電変換部と、
前記複数枚の干渉膜の少なくとも１つを駆動して当該複数枚の干渉膜の組の中の干渉膜同士の間隔を変化させることによって当該干渉膜の組を透過する透過光の波長を変化させる駆動機構と、
を有するカラーイメージセンサーであって、
前記光電変換部とカラーフィルターとの間に配置された層間絶縁膜と、
前記カラーフィルターの上で前記光電変換部それぞれに対応する位置に配列された複数のマイクロレンズと、
をさらに有することを特徴とするカラーイメージセンサー。
【００３５】
（２）  前記干渉膜同士の間隔を計測する計測手段をさらに有し、
前記計測手段によって計測された間隔が所定の値になったときに前記光電変換部の出力を検出するように構成されていること、を特徴とするカラーイメージセンサー。
【００３６】
（３）  前記干渉膜同士の間隔を所定の範囲に制御する手段をさらに有することを特徴とするカラーイメージセンサー。
【図面の簡単な説明】
【００３７】
【図１】図１（ａ）は本発明に係るカラーイメージセンサーの第１の実施形態を示す模式的断面図、図１（ｂ）は図１（ａ）のカラーイメージセンサーの模式的平面図、図１（ｃ）は図１（ｂ）のＡ−Ａ矢視断面とＢ−Ｂ矢視断面とを重ね合わせて示す模式的断面図、図１（ｄ）は本発明に係るカラーイメージセンサーの第１の実施形態の製造工程における完成状態を示す模式的断面図。
【図２】図１（ｄ）のカラーイメージセンサーの製造工程を示す模式的断面図。
【図３】図３（ａ）は本発明に係るカラーイメージセンサーの第２の実施形態を示す模式的断面図、図３（ｂ）は図３（ａ）のカラーイメージセンサーの模式的平面図、図３（ｃ）は図３（ｂ）のカラーイメージセンサーの１画素分相当部分を示す模式的平面図。
【図４】図４（ａ）は図３（ｃ）のIVa−IVa線矢視断面図、図４（ｂ）は図３（ｃ）のIVb−IVb線矢視断面図。
【符号の説明】
【００３８】
１ａ：下部干渉膜、１ｂ：上部干渉膜、２：マイクロレンズ、３：遮光金属層、４：層間絶縁膜、５：フォトダイオード領域、６：基板、７ａ：下部動作制御電極、７ｂ：上部動作制御電極、８：支持構造体、２０：カラーフィルター、２１：空隙、３０：犠牲層、４０：距離計
【図１】
2009080356.tif 000003
【図２】
2009080356.tif 000004
【図３】
2009080356.tif 000005
【図４】
2009080356.tif 000006