JPH0653461A - カラーイメージセンサ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 カラーイメージセンサ本体において赤色領域
の分光感度スペクトルの制御を可能とするとともに、光
量損失を防いで画質の劣化を防止することができるカラ
ーイメージセンサの構造を得る。 【構成】 複数の光電変換素子と、色分解を行なうため
に前記各光電変換素子上にそれぞれ配置された複数種類
の色フィルタ３，４，５とを具備することにより、赤色
画素，緑色画素，青色画素を形成したカラーイメージセ
ンサにおいて、前記赤色画素上のみに赤外色域の光を吸
収するフィルタ層６を形成し、赤色画素に赤外線が入射
することを防ぐとともに、緑色画素及び青色画素部分に
おける光量損失を防止する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、ファクシミリや複写機
等の画像入力装置に使用される固体撮像装置に係り、特
に色分解を行なうためのカラーフィルタを光電変換素子
上に配置したカライメージセンサに関する。

【０００２】

【従来の技術】ファクシミリ装置や複写機等の画像読取
装置における画像情報のカラー化を図るためには、画像
入力装置としてのカラーイメージセンサを、色分解され
た情報が読み取り可能なように構成する必要がある。カ
ラーイメージセンサにおいては、色分解を行なうカラー
フィルタの分光透過スペクトルで決まる色分解特性を適
性化することにより、カラー原稿に対して忠実な画像情
報を得てカラー画像の高品質化を図ることができる。

【０００３】従来のカラーイメージセンサとしては、Ｃ
ＣＤ型，ＭＯＳ型或いはａ−Ｓｉ，ＣｄＳ膜を半導体層
とした薄膜積層構造の光電変換素子を大面積に配列する
密着型等で形成された３ラインの光電変換素子上に、各
ライン毎に赤色フィルタ，緑色フィルタ，青色フィルタ
等の原色系のカラーフィルタを配置して赤色画素，緑色
画素，青色画素を形成して色分解信号を得ることが行な
われている（例えば、特開昭６０−１９２３６１号，特
開昭６１−１４７４８号公報参照）。この場合、カラー
イメージセンサの色分解性は主としてカラーフィルタの
分光透過率で規定されるが、図６の分光透過率の特性曲
線に示すように、赤色フィルタの特性曲線Ｒは６００ｎ
ｍ程度の波長の赤色光のみならず７００ｎｍ以上の波長
を有する赤外領域の光まで透過させてしまうので、赤外
領域の光が光電変換素子に入射しないようにする構成を
必要としていた。例えば、アモルファスシリコンを半導
体層とする薄膜積層構造の場合、成膜条件を変化させる
ことにより光電変換素子が有する分光感度（図６中にお
いて点線で示す。図６中、この点線のみ分光感度を示し
ている。他は分光透過率を示す。）を調節することで、
赤外領域の光に対して感度を持たないようにすることが
行なわれていた。また、原稿面からの反射光が光電変換
素子に導かれる光路系の途中にガラスフィルタで形成さ
れた赤外カットフィルタを配置して、赤外領域の光を吸
収することが行なわれていた。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、光電変
換素子の分光感度で赤外領域の光を規制する構造によれ
ば、光電変換膜として使用する半導体層の種類によって
は赤外領域の光をカットできない場合があるという問題
点があった。例えば、ＣＣＤ型固体撮像素子に用いられ
る単結晶シリコンＰＮ型ダイオードは、通常赤外線領域
まで感度を有する。また、密着型イメージセンサに用い
られる非晶質シリコンショットキー型ダイオードにおい
ては赤外線領域に感度を持たないが、シリコン膜厚の製
造上のバラツキにより赤色領域の分光感度が変化しやす
く安定した品質のものができないという問題点がある。

【０００５】光路系に赤外カットフィルタを配置して赤
外領域の光を規制する構造によれば例えば複写機で倍率
を変更する際、すなわち光路系を構成するミラー等を動
かして光路長を調整する場合に、光路系を構成するユニ
ットの位置を制御する機械的機構が必要となり、その
際、赤外カットフィルタの配置により光路系を構成する
部品点数が多くなると光学設計の障害になり易いという
問題点がある。

【０００６】また、図７に示すように、絶縁性基板７０
に形成された各光電変換素子７１上に赤色フィルタ７
２，緑色フィルタ７３，青色フィルタ７４をそれぞれ配
置して赤色画素，緑色画素，青色画素を構成し、フィル
タ全面を覆うように赤外カットフィルタ７５を配置した
ものが存在する（特開昭５９−１２５８６８号公報、第
１図参照）。しかし上記構造によると、本来補正の必要
のない緑画素や青画素に入射する光についても赤外カッ
トフィルタ７５を透過するので、その際に光量損失が生
じてしまう。すなわち、通常、赤外カットフィルタ７５
の４００〜６００ｎｍ波長域（青色光および緑色光の領
域）における透過率は９０％程度であるので、緑画素や
青画素に入射する光は約１０％感度が低下し、それに応
じてＳ／Ｎ比が低下するので画質の劣化を招く。特に、
カラー情報の読み取り系でよき用いられるハロゲンラン
プは青色領域の発光強度が弱いため、できるだけ余計な
光量損失を防止することが望ましい。

【０００７】本発明は上記実情に鑑みてなされたもの
で、カラーイメージセンサ本体において赤色領域の分光
感度スペクトルの制御を可能とするとともに、光量損失
を防いで画質の劣化を防止することができるカラーイメ
ージセンサの構造を提供することを目的としている。

【０００８】

【課題を解決するための手段】上記従来例の問題点を解
決するため本発明のカラーイメージセンサは、複数の光
電変換素子と、色分解を行なうために前記各光電変換素
子上にそれぞれ配置された複数種類の色フィルタとを具
備することにより、赤色画素，緑色画素，青色画素を形
成したカラーイメージセンサにおいて、前記赤色画素上
のみに赤外色域の光を吸収するフィルタ層を形成したこ
とを特徴としている。

【０００９】

【作用】本発明によれば、赤色画素上のみに赤外色域の
光を吸収するフィルタ層を形成したので、赤色画素には
前記フィルタ層により赤外線が除去された光が入射する
とともに、緑色画素及び青色画素には前記フィルタ層を
通過することなく光が入射するのでこの部分における光
量損失を防止することができる。

【００１０】

【実施例】本発明に係るカラーイメージセンサの一実施
例について図１を参照しながら説明する。図１の表裏方
向に細長い絶縁性基板１上に、３本の光電変換素子ライ
ン２が形成されている。光電変換素子ライン２は、薄膜
積層構造で形成された複数の光電変換素子を表裏方向に
一列に配列して構成されている。絶縁性基板１として
は、例えばコーニングガラス７０５９（コーニング社
製、屈折率１．５４、板厚１．１ｍｍ）等が使用され
る。各光電変換素子ライン２上には、色分解を行なうた
めのカラーフィルタ材（例えば東京応化社製、ＣＦＰＲ
カラーレジスト等）を用いたフォトリソグラフィー技術
により、赤色フィルタ３，緑色フィルタ４，青色フィル
タ５が配置されることにより、各フィルタ下に赤色画
素，緑色画素，青色画素を形成している。赤色フィルタ
３上には、赤外色域の光を吸収するシアン系フィルタ層
６をフォトリソグラフィー技術により選択的に形成す
る。このフィルタ層６は、シアン系のフィルタ材、例え
ば富士ハント社製のカラーモザイクシリーズ等顔料分散
型の有機高分子化合物等、７００ｎｍ〜１１００ｎｍの
光を吸収する材料が混合された樹脂で構成されている。
また、絶縁性基板１上には、光電変換素子アレイ２全て
を覆うようにパッシベーション膜７が形成されている。

【００１１】前記光電変換素子について、赤色画素を例
に図２を更に詳しく参照しながら説明する。図２におい
て図１と同じ符号を付した部分については同一部材を示
している。光電変換素子は、水素化アモルファスシリコ
ン（ａ−Ｓｉ：Ｈ）薄膜から成るフォトダイオードＰＤ
及びブロッキングダイオードＢＤを互に逆極性となるよ
うに直列接続して構成されている。この光電変換素子は
次のプロセスで形成される。すなわち、絶縁性基板１上
にクロムを着膜及びパターニングし、表裏方向に離散的
に配置された複数の金属電極２１を形成する。水素化ア
モルファスシリコン（ａ−Ｓｉ：Ｈ）から成る帯状の光
電変換膜２２、酸化インジウム・スズ等から成る帯状の
透明電極２３を順次積層し、前記金属電極２１の中央部
において分離するように二つの帯状にパターニングして
表裏方向に複数個配列されたフォトダイオードＰＤ及び
表裏方向に複数個配列されたブロッキングダイオードＢ
Ｄを形成する。

【００１２】フォトダイオードＰＤとブロッキングダイ
オードＢＤとは、カソード側となる金属電極２１を共通
とすることで極性が逆向きとなる状態で両者を直列に接
続している。フォトダイオードＰＤ及びブロッキングダ
イオードＢＤ上にはポリイミド等の絶縁層２４を形成
し、フォトリソ法によりパターニングしてコンタクト孔
２５を穿孔形成する。フォトダイオードＰＤ及びブロッ
キングダイオードＢＤは、絶縁層２４上にアルミニウム
を着膜およびパターニングすることで形成した引き出し
配線２６ａ，２６ｂに前記コンタクト孔２５を介して接
続されている。また、フォトダイオードＰＤ及びブロッ
キングダイオードＢＤ上には、前記アルミニウムをパタ
ーニング時に、上部より光が入射するための開口部２７
が設けられ、この開口部２７に赤色フィルタ３が配置さ
れている。赤色フィルタ３上には、赤外色域の光を吸収
するシアン系フィルタ層６が形成されている。

【００１３】光電変換素子アレイ２の１ラインの等価回
路を示すと図３のようになる。すなわち、フォトダイオ
ードＰＤに接続された引き出し配線２６ａは積分器等の
信号読取回路８に接続され、ブロッキングダイオードＢ
Ｄに接続された引き出し配線２６ｂは、配列された光電
変換素子に順次パルスを印加して信号の読み取り及びリ
セットを行なうシフトレジスタＳＲの各端子に接続され
ている。

【００１４】図４は本発明の他の実施例を示すもので、
ＣＣＤ型固体撮像素子に本発明を適用した例である。Ｃ
ＣＤ型固体撮像素子は、シリコンウエハー４２にイオン
を打ち込み、熱拡散等の技術を用いて光電変換部である
ＰＮフォトダイオード４４或いは信号走査回路であるア
ナログＣＣＤレジスタ４３を形成する。このＣＣＤ型固
体撮像素子においてカラー情報を読み取り可能とするに
は、前記ＰＮフォトダイオード４４上に３色分解用のカ
ラーフィルタを配置する。このカラーフィルタは、例え
ばカゼイン，ゼラチン等の天然有機化合物をフォトリソ
グラフィー技術によりパターニングした後に染料材料に
て染色し、赤色フィルタ４５，緑色フィルタ４６，青色
フィルタ４７をそれぞれ形成している。また、赤色フィ
ルタ４５上に、前記したカゼイン，ゼラチン等の天然有
機化合物をフォトリソグラフィー技術によりパターニン
グすることにより選択的に形成し、シアン系染料材料に
て染色を行ない赤外色域の光を吸収するシアン系フィル
タ層４８を構成する。シリコンウエハー４２はセラミッ
クス等の支持基板４１に実装され、全体を保護用カバー
ガラス４９（例えばコーニングガラス７０５９、屈折率
１．５）で覆うことにより封止している。

【００１５】上述した実施例によれば、赤色フィルタ
３，４５上のみに選択的に赤外色域の光を吸収するシア
ン系フィルタ層６，４８を形成したので、緑色画素や青
色画素に入射する光は前記フィルタ層６，４８を透過す
ることがないので、この部分での光量損失を防ぐことが
できる。次に上記実施例のように構成することによる色
分解性の向上について、図５の分光感度特性図及び図６
の分光透過率特性図を参照しながら説明する。カラーイ
メージセンサにおける色分解性の優劣を判断する一つの
指標として測色品質係数ｑが存在する。これは色分解や
測定に用いられるある一つの系の分光感度が視覚混色曲
線にどの程度近似しているか、すなわち人間の目の分光
的性質にどの位近いかを示すもので、測色品質係数ｑの
値は１．０〜０の間をとる。測色品質係数ｑが１．０で
あれば、その色分解系は人間の目と同一の分光感度を有
することになり、換言すれば原稿を人間の目が見たとき
と全く同じようにイメージセンサが認識できることにな
る。測色品質係数ｑはカラーイメージセンサの分光感度
スペクトルから次式で与えられる。 ｑ＝｛（ΣＲｅＣ１）²＋（ΣＲｅＣ２）²＋（ΣＲｅＣ３）²｝／ΣＲｅ² 式中、Ｃ１，Ｃ２，Ｃ３はＪＩＳ規格Ｚ８７０１で定め
られた２°視野等色関数を展開して求められた正規直交
型の混色曲線であり、前述の視覚混色曲線と等価なもの
である。一方、前記Ｒｅは色分解系の分光感度であり次
式で与えられる。 Ｒｅ＝（Ｓｅ・Ｆ・Ｌｅ・Ｅｉ）／Ｅ₀ 式中、Ｓｅは図６中に示すセンサの分光感度６１、Ｆは
図６中に示す各色フィルタの分光透過率Ｒ，Ｇ，Ｂ、Ｌ
ｅはレンズの分光透過率、Ｅｉは光源の発光スペクトル
分布、Ｅ₀はＪＩＳ規格Ｚ８７２０で定められた標準光
源Ｄ₆₅の発光スペクトル分布をそれぞれ示している。

【００１６】すなわち、測色品質係数ｑを１．０に近づ
けるためには、分光感度Ｒｅを如何にしてＣ１，Ｃ２，
Ｃ３に近似させるかが問題となり、各色画素において色
フィルタの分光透過率Ｆの特性曲線Ｒ，Ｇ，Ｂが前記Ｃ
１，Ｃ２，Ｃ３の曲線に近似することが望ましい。前記
ＪＩＳ規格Ｚ８７０１から求められるＣ３の曲線は、ピ
ーク波長４５０ｎｍ，半値幅６０ｎｍの特性を持ち、ま
た、Ｃ１の曲線はピーク波長５４０ｎｍ，半値幅８０ｎ
ｍの特性を持つので、それぞれ図６に示した青フィルタ
及び緑フィルタの分光透過率の特性曲線Ｂ，Ｇに近似し
ているので比較的問題が少ない。しかし、赤色フィルタ
の分光透過率の特性曲線Ｒは、図６に示すように、６５
０ｎｍ以上の長波長側の光が全て透過してしまうので制
御が困難であり、また光電変換層の分光感度の長波長側
の影響を受けることになる。

【００１７】本実施例では、長波長領域を吸収するフィ
ルタ層を光電変換層を形成する半導体膜の分光感度に合
せて選択し、赤色画素上に配置することにより測色品質
係数ｑＲ（赤色画素における測色品質係数）の値を１．
０に近い値に制御することができる。例えば、図１の薄
膜積層構造のイメージセンサにおいて、膜厚１．３μｍ
の非晶質シリコンで形成した半導体膜に対して、図６に
示すように、波長６００ｎｍの光が５０％、波長６５０
ｎｍの光が１３％透過するシアン系フィルタをフィルタ
層として使用した場合、図５におけるＲｅスペクトル５
１を得ることができた。ＪＩＳ規格Ｚ８７０１から求め
られるＣ２の曲線は、ピーク波長６００ｎｍ，半値幅６
０ｎｍの特性を持ち、Ｒｅスペクトル５１の測色品質係
数ｑＲを０．９０とすることができた。この場合、従来
例のように図６に示す特性を有する赤外カットレンズ
（例えば、ＨＯＹＡ製ＨＡ−５０）を光路系に組み込む
と、図５に点線で示したＲｅスペクトル５２となり、ま
たその時の測色品質係数ｑＲの値はＯ．６８となり、本
実施例による測色品質係数ｑＲが大幅に向上するという
ことが確認できた。

【００１８】上述した実施例に示した固体撮像素子で
は、水素化アモルファスシリコン（ａ−Ｓｉ：Ｈ）薄膜
を用いたフォトダイオード型イメージセンサとＣＣＤ型
固体撮像素子を例に上げたが、ＭＯＳ型，バイポーラト
ランジスタ型，フォトトランジスタ型，ＣｄＳ−ＣｄＳ
ｅを用いた光導電型等の固体撮像素子についても本発明
の構造を適用することができる。

【００１９】

【発明の効果】本発明によれば、赤色画素上のみに赤外
色域の光を吸収するフィルタ層を形成したので、赤色画
素には前記フィルタ層により赤外線が除去された光が入
射するとともに、緑色画素及び青色画素には前記フィル
タ層を通過することなく光が入射するのでこの部分にお
ける光量損失を防止して画質の劣化を防ぐことができ、
高感度及び高品質を担保しつつ且つ色分解性に優れたカ
ラーイメージセンサとすることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明の一実施例を示すカラーイメージセン
サの断面説明図である。

【図２】 図１の実施例における光電変換素子の具体的
構造を示す断面説明図である。

【図３】 １ラインの光電変換素子アレイの等価回路図
である。

【図４】 本発明の他の実施例を示すカラーイメージセ
ンサの断面説明図である。

【図５】 本実施例のカラーイメージセンサの分光感度
スペクトルを示した特性曲線図である。

【図６】 カラーイメージセンサに使用される各色フィ
ルタの分光透過率を示した特性曲線図である。

【図７】 従来のカラーイメージセンサを示す断面説明
図である。

【符号の説明】

１…絶縁性基板、 ２…光電変換素子アレイ、 ３…赤
色フィルタ、 ４…緑色フィルタ、 ５…青色フィル
タ、 ６…シアン系フィルタ層、 ４１…支持基板、
４２…シリコウエハー、 ４３…アナログＣＣＤレジス
タ、 ４４…ＰＮフォトダイオード、 ４５…赤色フィ
ルタ、 ４６…緑色フィルタ、 ４７…青色フィルタ、
４８…シアン系フィルタ層

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 複数の光電変換素子と、色分解を行なう
   ために前記各光電変換素子上にそれぞれ配置された複数
   種類の色フィルタとを具備することにより、赤色画素，
   緑色画素，青色画素を形成したカラーイメージセンサに
   おいて、前記赤色画素上のみに赤外色域の光を吸収する
   フィルタ層を形成したことを特徴とするカラーイメージ
   センサ。