(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】特許公報(B2)
(11)【特許番号】6139610
(24)【登録日】2017年5月12日
(45)【発行日】2017年5月31日
(54)【発明の名称】緑色減算用の赤外線透過フィルターを用いた撮像センサ
(51)【国際特許分類】
H01L 27/14 20060101AFI20170522BHJP
G02B 5/20 20060101ALI20170522BHJP
G02B 5/22 20060101ALI20170522BHJP
H04N 5/369 20110101ALI20170522BHJP
H04N 9/07 20060101ALI20170522BHJP
【FI】
H01L27/14 D
G02B5/20 101
G02B5/22
H04N5/335 690
H04N9/07 D
【請求項の数】8
【全頁数】10
(21)【出願番号】特願2015-162249(P2015-162249)
(22)【出願日】2015年8月19日
(65)【公開番号】特開2016-219767(P2016-219767A)
(43)【公開日】2016年12月22日
【審査請求日】2015年8月19日
(31)【優先権主張番号】14/717,512
(32)【優先日】2015年5月20日
(33)【優先権主張国】US
(73)【特許権者】
【識別番号】507296388
【氏名又は名称】采▲ぎょく▼科技股▲ふん▼有限公司
【氏名又は名称原語表記】VisEra Technologies Company Limited
(74)【代理人】
【識別番号】110000486
【氏名又は名称】とこしえ特許業務法人
(72)【発明者】
【氏名】王 唯科
【審査官】
安田 雅彦
(56)【参考文献】
【文献】
特開2008−092510(JP,A)
【文献】
特開2006−237737(JP,A)
【文献】
特開2006−313974(JP,A)
【文献】
特開2007−027667(JP,A)
【文献】
特開2007−227551(JP,A)
【文献】
特開2010−050369(JP,A)
【文献】
特開2007−202107(JP,A)
【文献】
特開2011−029810(JP,A)
【文献】
中国特許出願公開第104320640(CN,A)
【文献】
米国特許出願公開第2016/0064434(US,A1)
【文献】
米国特許出願公開第2016/0099271(US,A1)
【文献】
特開2016−115746(JP,A)
(58)【調査した分野】(Int.Cl.,DB名)
H01L 27/14−148
H04N 9/04−083
H04N 5/33−378
G02B 5/18−22
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
入射光の複数の色成分を抽出するフィルターアレイ、および
前記フィルターアレイを介して入射光を受信する光電素子を含み、
前記フィルターアレイは、
前記複数の色成分から緑色成分を抽出する緑色フィルター、
前記複数の色成分から赤色成分を抽出する赤色フィルター、
前記複数の色成分から青色成分を抽出する青色フィルター、
第1の赤外線成分を抽出する第1の赤外線フィルター、
第2の赤外線成分を抽出する第2の赤外線フィルター、および
第3の赤外線成分を抽出する第3の赤外線フィルターを含み、
前記第1の赤外線フィルターは、前記緑色フィルターの材料と特定の波長の赤外線ハイパスフィルタの材料を含み、
前記第1、第2、および第3の赤外線成分は、前記緑色成分、前記青色成分、および前記赤色成分から抽出され、カラーバランスのとれた緑色、青色、および赤色成分をそれぞれ得るための赤外線成分である
撮像センサ。
【請求項2】
前記特定の波長は、650nmであり、
前記第1の赤外線フィルターは、前記緑色フィルターと前記赤外線ハイパスフィルタの材料を混合して実装される請求項1に記載の撮像センサ。
【請求項3】
前記特定の波長は、650nmであり、
前記第1の赤外線フィルターは、前記緑色フィルターと前記赤外線ハイパスフィルタを積層して実装される請求項1に記載の撮像センサ。
【請求項4】
前記第2の赤外線フィルターは、前記赤色フィルターの材料と前記青色フィルターの材料を混合して実装され、
前記第2の赤外線フィルターは、800nmより長い波長を有する入射光を透過させる赤外線パスフィルターである請求項1に記載の撮像センサ。
【請求項5】
前記第2の赤外線フィルターは、前記赤色フィルターと前記青色フィルターとを積層して実装され、
前記第2の赤外線フィルターは、800nmより長い波長を有する入射光を透過させる赤外線パスフィルターである請求項1に記載の撮像センサ。
【請求項6】
前記第3の赤外線フィルターは、前記赤外線ハイパスフィルタで実装され、
前記第1の赤外線フィルターは、前記緑色フィルターと前記第3の赤外線フィルターを積層、または前記緑色フィルターの材料と前記第3の赤外線フィルターの材料を混合して実装される請求項1に記載の撮像センサ。
【請求項7】
前記フィルターアレイは、水平方向に隣接した3つのアレイユニットを更に含み、
前記3つのアレイユニットのうち第1のアレイユニットは、前記緑色フィルター、前記赤色フィルター、前記青色フィルター、および前記第1の赤外線フィルターを含み、
前記3つのアレイユニットのうち第2のアレイユニットは、前記緑色フィルター、前記赤色フィルター、前記青色フィルター、および前記第2の赤外線フィルターを含み、
前記3つのアレイユニットのうち第3のアレイユニットは、前記緑色フィルター、前記赤色フィルター、前記青色フィルター、および前記第3の赤外線フィルターを含む請求項1に記載の撮像センサ。
【請求項8】
前記フィルターアレイは、2×2ウィンドウで配置された4つのアレイユニットを更に含み、前記4つのアレイユニットは、第1のアレイユニット、第2のアレイユニット、第3のアレイユニット、および第4のアレイユニットを含み、
前記第1のアレイユニットは、前記緑色フィルター、前記赤色フィルター、前記青色フィルター、および前記第1の赤外線フィルターを含み、
前記第2のアレイユニットは、前記緑色フィルター、前記赤色フィルター、前記青色フィルター、および前記第2の赤外線フィルターを含み、
前記第3のアレイユニットは、前記緑色フィルター、前記赤色フィルター、前記青色フィルター、および前記第3の赤外線フィルターを含み、
前記第4のアレイユニットは、前記緑色フィルター、前記赤色フィルター、前記青色フィルター、および透明画素を含む請求項1に記載の撮像センサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、撮像センサに関し、よりよいカラーバランスのための赤色、緑色、および青色カラーフィルター、ならびに赤外線(IR)透過フィルターを含む撮像装置に関するものである。
【背景技術】
【0002】
従来のカラーイメージャ、イメージセンサ、および画素化された撮像アレイ(pixelated imaging arrays)は、赤−緑−緑−青(R−G−G−B)画素/フィルター構成からなるベイヤーパターンの画素および画素フィルターを有している(
図1に図示されている)。このような画素化アレイでは、センサは、赤色、緑色、または青色を透過させる、個別の画素上に配置された、または画素上にコーティングされた個別の光フィルターを含む。“赤色画素”12a、“青色画素”12b、および2つの“緑色画素”12cは、2×2のサブアレイ10を形成するように配置されており、このようなサブアレイ10が画素化アレイ上で繰り返すように配置されている。
【0003】
3つのカラーフィルター(R、G、およびB)は、赤色、緑色、および青色に対応する波長範囲またはスペクトル帯域の光線を透過させるだけでなく、赤外線(IR)または近赤外線(NIR)の波長範囲またはスペクトル帯域における光線を大きく透過させる。従って、赤色、緑色、および青色画素を有していても、カラーイメージャの感度または量子効率のスペクトルは、通常、赤外線(IR)または近赤外線(NIR)において高い応答性を有する。例えば、従来のシリコンCMOSカラーセンサのスペクトル応答が
図2に示されている。R、G、およびB画素(例えば、曲線210、220、および230)のスペクトル応答は、可視スペクトルの画素の応答と同等かそれ以上である。従って、環境からの赤外線の光は、可視スペクトルの色応答をウォッシュアウト(wash−out)する可能性があり、画像色再現を歪める可能性がある。これは、しばしばIRコンタミネーション(IR contamination)と呼ばれる。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0004】
従来のカラーカメラでは、忠実な色画像を再現するために、赤外カットフィルタとして、赤外線の帯域またはスペクトルの範囲にある光線またはエネルギーをカットまたは低減するものが通常用いられている。これは、IRコンタミネーションを低減、制限、または実質的になくすために、可視光(例えば、390nm〜700nmの波長を有する光)だけが(または実質的に可視光だけが)、フィルターを透過して、RGGB画素で撮像されるようにするためである。このようなIRカットフィルタは、通常、ガラス(例えば平板ガラス)またはプラスチック素子に多層コーティングして形成されており、イメージャのレンズアセンブリまたはイメージャのレンズアセンブリのレンズ素子の表面上に加えられている。コーティングプロセスおよび加えられた材料は、レンズのコストを大幅に増加させることもある。
【課題を解決するための手段】
【0005】
詳細な説明は、添付の図面と併せて以下の実施形態で説明する。
【0006】
撮像センサが提供される。撮像センサは、入射光の特定の色成分を抽出するために用いられるフィルターアレイ、およびフィルターアレイを介して入射光を受信する光電素子を含む。フィルターアレイは、緑色成分を抽出する緑色フィルター、赤色成分を抽出する赤色フィルター、青色成分を抽出する青色フィルター、および緑色成分のための第1の赤外線成分を抽出する第1の赤外線フィルターを含む。第1の赤外線フィルターは、緑色フィルターと特定の波長の赤外線ハイパスフィルタによって構成される。
【図面の簡単な説明】
【0007】
添付の図面とともに以下の本発明の様々な実施形態の詳細な説明を検討することで、本発明をより完全に理解することができる。
【
図2】シリコンCMOS RGBカラーセンサのスペクトル応答の図である。
【
図3】本発明の実施形態に係る、IRP4Gdフィルターのスペクトル図である。
【
図4A】本発明の実施形態に係る、第1のカラーモザイクパターンの配置の図である。
【
図4B】本発明のもう1つの実施形態に係る、第2のカラーモザイクパターンの配置の図である。
【
図5】本発明の第1の実施形態に係る、撮像センサの断面図である。
【
図6】本発明のもう1つの実施形態に係る、撮像センサの断面図である。
【
図7】本発明のまたもう1つの実施形態に係る撮像センサの断面図である。
【発明を実施するための形態】
【0008】
以下の説明では、本発明を実施するベストモードを開示している。この説明は、本発明の一般原理を例示する目的のためのものであり、本発明を限定するものではない。本発明の範囲は、添付の請求の範囲を参考にして決定される。
【0009】
図3は、本発明の実施形態に係る、IRP4Gdフィルターのスペクトル図である。本発明のIRP4Gdフィルターは、緑色フィルターと赤外線透過フィルター(ハイパスフィルタ)のスペクトルを混合するように設計され、650nmより長い波長を有する光線を透過させる(以下、IR−pass@650nmともいう。)。例えば、緑色フィルターと赤外線透過フィルターのスペクトルは、
図3の曲線310と320として示される。IRP4Gdフィルターのスペクトルは、
図3の曲線330として示される。IRP4Gdフィルターは、2つの方式、例えば、緑色フィルターおよびIR−pass@650nmフィルターを積層して、または緑色フィルターとIR−pass@650nmフィルターの材料を混合して単一の材料として実装することができる。
【0010】
本発明に提供された減色(color subtraction)アルゴリズムでは、緑色、赤色、または青色チャネルのスペクトルを、以下の通りに表すことができる。
S
G−S
IRP4Gd=S
G’V
S
R−S
IRP4Rd=S
R’V
S
B−S
IRP4Bd=S
B’V
【0011】
S
G、S
R、およびS
Bは、緑色、赤色、または青色チャネルの元の信号を示しており、S
IRP4Gdは、緑色減算(deduction)用のIR透過フィルターの信号を示しており、S
IRP4Rdは、赤色減算用のIR透過フィルターの信号を示しており、S
IRP4Bdは、青色減算用のIR透過フィルターの信号を示している。また、S
G’V、S
R’V、S
B’Vは、緑色、赤色、または青色チャネル用に調整された(カラーバランスのとれた)信号をそれぞれ示している。具体的には、赤外線信号S
IRP4Gd、S
IRP4Rd、S
IRP4Bdを、緑色、赤色、または青色チャネルからそれぞれ差し引く。従って、本発明では、イメージセンサの前方に追加の赤外線カットフィルタが必要でないため、全体的な撮像センサのコストが減少され、カメラモジュールの厚さもより薄くすることができる。
【0012】
上述のように、IRP4Gdフィルターは、IR−pass@650nmフィルターおよび緑色フィルターを積層して、またはIR−pass@650nmフィルターと緑色フィルターの材料を混合して実装することができる。また、IRP4Rdフィルターは、IR−pass@650nmフィルターで実装することができ、IRP4Bdフィルターは、800nmより長い波長を有する光線を透過させるIR−passフィルター(以下、IR−pass@800nmともいう。)で実装することができる。しかも、IR−pass@800nmフィルター(ハイパスフィルタ)は、赤色と青色フィルターの材料を混合して容易に実装することができる。
【0013】
本発明の撮像センサは、半導体基板に配列、配置、または設置された複数の光感知ピクセルまたは光電素子を有し、二次元状に画素化された撮像アレイを含む。例えば、撮像アレイは、相補型金属酸化物半導体(CMOS)もしくはCCD撮像センサ、または同様の装置を含むことができる。詳細は、後述の実施形態で参照することができる。
【0014】
図4Aは、本発明の実施形態に係る、第1のカラーモザイクパターンの配置の図である。
図4Aに示されるように、赤外線減算アルゴリズムを用いることで、異なる赤外線画素(例えば、IRP4Rd、IRP4Gd、IRP4Bd)を、アレイユニット400の異なる位置に配置することができる。例えば、アレイユニット400Aは、水平方向に隣接した3つのカラーパターン410、420、430を含む。カラーパターン410は、R、G、BフィルターおよびIRP4Bdフィルターを含む。カラーパターン420は、R、G、BフィルターおよびIRP4Rdフィルターを含む。カラーパターン430は、R、G、BフィルターおよびIRP4Gdフィルターを含む。カラーパターン410、420、430は、それぞれ単独で用いることができる。
【0015】
図4Bは、本発明のもう1つの実施形態に係る、第2のカラーモザイクパターンの配置の図である。選択的に、カラーパターンを、2×2ウィンドウ(window)を有するアレイユニット400で配置することができる。アレイユニット400Bは、カラーパターン440、450、460、および470を含む。カラーパターン440、450、および460は、
図4Aに示されたカラーパターン410、420、および430と同様の構成である。一方で、カラーフィルター470は、透明(transparent)画素471(即ち、clear画素)を有している。
【0016】
図5は、本発明の第1の実施形態に係る撮像センサの断面図である。撮像センサ500は、半導体基板510、第1の層520、および第2の層530を含む。異なるカラーチャネルの光電素子511〜516(例えば、緑色、赤色、青色、IRP4Rd、IRP4Gd、およびIRP4Bd色)は、半導体基板510上に実装される。第1の層520上の左から右のカラーフィルターの順序は、緑色フィルター521、赤色フィルター522、青色フィルター523、IRP4Rdフィルター524、赤色フィルター525、および緑色フィルター526である。第2の層530は、透明材料531、青色フィルター532、およびIRP4Rdフィルター533を含む。透明材料531は、コーティング面を平坦にするために、フィルター521〜524をカバーする。青色フィルター532は、赤色フィルター525をカバーし、青色フィルター532と赤色フィルター525とを積層することで、800nmより長い波長を有する光線を透過するIRP4Bdフィルター(即ち、青色+赤色)が形成される。IRP4Rdフィルター533は、緑色フィルター526をカバーし、IRP4Rdフィルター533と緑色フィルター526を積層することで、650nmより長い波長を有する光線を透過するIRP4Gdフィルターが形成される。
【0017】
具体的には、例えば、赤色、緑色、青色、IRP4Gd、IRP4Rd、およびIRP4Bdフィルターの6つのタイプのカラーフィルターがあるが、撮像センサ500を製造する際に、上述した6つの材料を、実際には4つの素材に単純化することができる。例えば、青色フィルター532は、赤色フィルター525に配置され、IRP4Rdフィルターは緑色フィルター526に配置されるため、カラーフィルターの製造順序は、緑色フィルター、赤色フィルター、青色フィルター、IRP4Rdフィルターとすることができる。上述のカラーフィルターを実装した後に、塗膜平坦(flatness of coating; FOC)処理により、平坦面を形成するための透明材料531が、フィルター521〜524上に配置される。
【0018】
図6は、本発明のもう1つの実施形態に係る、撮像センサの断面図である。撮像センサ600は、半導体基板610、第1の層620、および第2の層630を含む。異なるカラーチャネルの光電素子611〜616(例えば、緑色、赤色、青色、IRP4Rd、IRP4Gd、およびIRP4Bd)が、半導体基板610上に実装される。第1の層620上の左から右のカラーフィルターの順序は、緑色フィルター621、赤色フィルター622、青色フィルター623、IRP4Rdフィルター624、青色フィルター625、および緑色フィルター626である。第2の層630は、透明材料631、赤色フィルター632、およびIRP4Rdフィルター633を含む。透明材料631は、コーティング面を平坦にするために、フィルター621〜624をカバーする。青色フィルター632は、赤色フィルター625をカバーし、赤色フィルター632と青色フィルター625とを積層することで、800nmより長い波長を有する光線を透過するIRP4Bdフィルター(即ち、青色+赤色)が形成される。IRP4Rdフィルター633は、緑色フィルター626をカバーし、IRP4Rdフィルター633と緑色フィルター626とを積層することで、650nmより長い波長を有する入射光を透過するIRP4Gdフィルターが形成される。
【0019】
撮像センサ600は、撮像センサ500と同様の構成を有する。撮像センサ500と600の違いは、IRP4Bdフィルターの積層方法が異なることである。例えば、青色フィルター532は、
図5に示されるように、撮像センサ500の赤色フィルター525上に配置されているが、赤色フィルター632は、
図6に示されるように、撮像センサ600の青色フィルター625上に配置される。
【0020】
図7は、本発明のまたもう1つの実施形態に係る、撮像センサの断面図である。撮像センサ500と600の製造プロセスに用いられる材料は、4つの素材(例えば、R、G、B、およびIRP4Rd)に単純化することができるが、6つの素材を撮像センサ500と600に用いることもできる。例えば、R、G、B、およびIRP4Rdの4つのカラーチャネルの素材の他に、IRP4GdおよびIRP4Bdのカラーチャネルの素材も、撮像センサ700に用いることができる。言い換えれば、青色フィルターと赤色フィルターの素材を混合することで、IRP4Bdチャネルの素材を生成することができる。また、緑色フィルターとIRP4Rdフィルターの素材を混合することで、IRP4Gdチャネルの素材を生成することができる。撮像センサ700は、半導体基板710と、第1の層720を含む。異なるカラーチャネルの光電素子711〜716(例えば、緑色、赤色、青色、IRP4Rd、IRP4Bd、およびIRP4Gd色)は、半導体基板710上に実装される。第1の層720上のカラーフィルターの順序は、左から右に、緑色フィルター721、赤色フィルター722、青色フィルター723、IRP4Rdフィルター624、IRP4Bdフィルター725、およびIRP4Gdフィルター726である。IRP4Bdフィルター(即ち、青色+赤色)は、800nmより長い波長を有する光線を透過させ、IRP4Gdフィルターは、650nmより長い波長を有する入射光を透過させる。
【0021】
以上のように、撮像センサが提供される。撮像センサは、緑色減算用の赤外線フィルターIRP4Gdを含み、IRP4Gdフィルターは、緑色フィルターと650nmハイパス赤外線フィルターの材料を混合または積層することで実装されている。IRP4Gdフィルターの材料を用いることで、赤色および青色減算用の赤外線フィルターを、現存する赤色フィルター、青色フィルター、およびIRP4Gdフィルターを用いて実装することができるため、各カラーチャネル(例えば、赤色、緑色、青色)は、各自の減算チャネルを有することができる。従って、本発明の画像センサでは、緑色、赤色、青色チャネルのよりよいカラーバランスを提供することができる。また、本発明では、イメージセンサの前方に追加の赤外線カットフィルタが不要となるため、全体的な撮像センサのコストが減少され、カメラモジュールの厚さもより薄くすることができる。
【0022】
本発明は、実施例の方法及び望ましい実施の形態によって記述されているが、本発明は開示された実施形態に限定されるものではない。逆に、本発明は、当業者に自明な種々の設計変更及び均等物をカバーするものである。よって、添付の請求の範囲は、最も広義な解釈が与えられ、このような全ての設計変更及び均等物を含むべきである。
【符号の説明】
【0023】
12a・・・赤色画素
12b・・・青色画素
12c・・・緑色画素
10・・・サブアレイ
210〜230、310〜330・・・曲線
400A、400B・・・アレイユニット
410、420、430、440、450、460、470・・・カラーパターン
471・・・透明画素
500、600、700・・・撮像センサ
510、610、710・・・半導体基板
520、620、720・・・第1の層
530、630・・・第2の層
511〜516、611〜616、711〜716・・・光電素子
521〜526、532、533、621〜626、632、633、721〜726・・・フィルター
531、631・・・透明材料