JP2010206678A - 固体撮像装置、撮像モジュール、及び撮像システム - Google Patents

Abstract

【課題】クロストークによる画質の劣化を抑制する。
【解決手段】入射光を光電変換する複数の光電変換素子を設ける。また、濾光する波長領域が互いに異なるカラーフィルタを少なくとも３種類以上含んだカラーフィルタ配列を設ける。それぞれの光電変換素子には、何れかのカラーフィルタを配置して入射光を濾光させる。そして、それぞれのカラーフィルタ同士は、所定の波長領域において、分光透過率が等しくなるように構成する。
【選択図】図５

Description

本発明は、入射光を濾光するカラーフィルタが配置された画素を複数有し、被写体からの入射光を撮像信号として出力する固体撮像装置、それを用いた撮像モジュール及び撮像システムに関するものである。

デジタルビデオカメラやデジタルスチルカメラ等の撮像システムには、固体撮像装置が用いられる。その固体撮像装置には、ＣＣＤ型、ＣＭＯＳ型の固体撮像装置などの種類がある。これらの固体撮像装置は、入射光を光電変換する複数の画素を備えており、それぞれの画素には、カラーフィルタがそれぞれ配置されている（例えば特許文献１を参照）。それぞれのカラーフィルタが透過する色を適宜設定して入射光を色分離することで、カラー画像の撮像が可能になる。
特開２００６-１１５１６０号公報

ところで、撮像システムは、その小型化に対する市場のニーズが高く、撮像システムの小型化の実現のために、固体撮像装置の小型化も急激に進んでいる。しかしながら、固体撮像装置を小型化すると、着目する画素とその周辺の画素間におけるクロストークによる混色が起こり、画質の劣化が起こる。特に、画素に入射する光が長波長であるほどクロストークは顕著化する傾向にある。

本発明は上記の問題に着目してなされたものであり、クロストークによる画質の劣化を抑制することを目的としている。

上記の課題を解決するため、本発明の一態様は、
被写体からの入射光を撮像信号として出力する固体撮像装置であって、
前記入射光を光電変換する複数の光電変換素子と、
濾光する波長領域が互いに異なるカラーフィルタを少なくとも３種類以上含んだカラーフィルタ配列と、
を備え、
それぞれの光電変換素子には、前記カラーフィルタの何れかが配置されて前記入射光が濾光され、
前記カラーフィルタ同士は、所定の波長領域において、分光透過率が等しいことを特徴とする。

この構成では、それぞれのカラーフィルタ同士は、所定の波長領域において分光透過率が等しいので、その波長領域では、ある画素に対し、行方向、及び列方向にそれぞれ隣接した画素のカラーフィルタの影響で発生するクロストーク成分がキャンセルされる。

本発明によれば、行方向、及び列方向にそれぞれ隣接した画素のカラーフィルタの影響で発生するクロストーク成分がキャンセルされるので、所定の波長領域において、クロストークによる画質の劣化を抑制することが可能になる。

以下、本発明の実施形態について図面を参照しながら説明する。なお、以下の実施形態は、本質的に好ましい例示であって、本発明、その適用物、あるいはその用途の範囲を制限することを意図するものではない。また、以下の各実施形態や変形例の説明において、一度説明した構成要素と同様の機能を有する構成要素については、同一の符号を付して説明を省略する。

《発明の実施形態１》
本発明の実施形態に係る撮像システムの一例として、デジタルビデオカメラ（電子ムービーカメラ）を説明する。

〈デジタルビデオカメラの概要〉
図１は、本発明の実施形態１に係るデジタルビデオカメラ１の構成を示すブロック図である。このデジタルビデオカメラ１は、同図に示すように、デジタル信号処理回路１０（図中ではＤＳＰと略記）、ＣＰＵ２０、ＳＤＲＡＭ３０、ＳＤカード４０、ＬＣＤ４１、及び撮像モジュール５０を備えている。

このデジタルビデオカメラ１では、撮影が行われると、撮像モジュール５０は被写体からの入射光を光電変換し、撮像信号Ｓ１としてデジタル信号処理回路１０に出力する。デジタル信号処理回路１０は、その撮像信号Ｓ１に所定の信号処理を行い、記録媒体として装着されているＳＤカード４０（例えばＳＤメモリーカード（ＳＤ Ｍｅｍｏｒｙ Ｃａｒｄ））に記録したり、表示媒体であるＬＣＤ４１（例えば液晶ディスプレイ）に表示したりする。ＳＤＲＡＭ３０は、デジタル信号処理回路１０での信号処理において使用される記録媒体である。なお、ＣＰＵ２０は、イメージセンサ６０やデジタル信号処理回路１０の動作を制御する。以下、デジタルビデオカメラ１の構成要素について説明する。

〈デジタル信号処理回路１０（ＤＳＰ）〉
デジタル信号処理回路１０は、メモリコントローラ１１、レベル検出部１２、ＹＣ処理部１３、圧縮処理部１４、及びデジタル信号処理部１５を備え、イメージセンサ６０からの出力（撮像信号Ｓ１）を処理する。

-メモリコントローラ１１-
メモリコントローラ１１は、レベル検出部１２、ＹＣ処理部１３、圧縮処理部１４、及びデジタル信号処理部１５（以下これらの各部を総称して機能ブロックと呼ぶ）のそれぞれと、ＳＤＲＡＭ３０との間のデータの転送（ＳＤＲＡＭ３０からの読出しや書き込み）を行う。このデジタル信号処理回路１０では、それぞれの機能ブロックにおける処理に必要な画素数分の撮像信号Ｓ１が揃うまで、ＳＤＲＡＭ３０に撮像信号Ｓ１を書き込むことで保持する。そして、必要な画素数分の撮像信号Ｓ１が揃うと、メモリコントローラ１１は適宜必要に応じ、ＳＤＲＡＭ３０から撮像信号Ｓ１を読み出し、撮像信号Ｓ１を必要とする機能ブロックに出力する。また、デジタルビデオカメラ１では、撮像信号Ｓ１だけでなく、ＹＣ処理部１３で処理されることで得られる輝度信号や色信号、さらには圧縮処理部１４で処理されることで得られる符号データ等もＳＤＲＡＭ３０に記録される。そのため、メモリコントローラ１１は、これらの種類のデータや信号の読出しや書き込みも行う。

-レベル検出部１２-
レベル検出部１２は、撮像信号Ｓ１のレベルを検出し、該撮像信号Ｓ１のレベルをＣＰＵ２０に通知する。詳しくは、このレベル検出部１２は、イメージセンサ６０から出力される撮像信号Ｓ１について、イメージセンサ６０の画面全体、或いは一部分の平均値等から、撮像信号Ｓ１のレベルを算出し、その算出結果をＣＰＵ２０に通知する。

-ＹＣ処理部１３-
ＹＣ処理部１３は、撮像信号Ｓ１に対して、同時化、フィルタリング処理、周波数補正等を行うとともに、輝度信号と色差信号を生成する（以下これらの信号をまとめてＹＣ信号Ｓ２と呼ぶ）。また、このＹＣ処理部１３は、長波長側の色成分である赤色の成分の大きさに応じて、輝度信号の高周波成分を補償する信号処理も行う。これは、クロストークにより長波長側の入射光が隣接する画素に対して漏れ、その結果、解像度の劣化が起こっているためである。すなわち、この処理により、クロストーク成分により複数の画素に分散した赤成分の解像度を向上することが可能になる。

-圧縮処理部１４-
圧縮処理部１４は、イメージセンサ６０から出力される撮像信号Ｓ１に対して、ＲＡＷデータのレベルで圧縮を行う。さらに、圧縮処理部１４は、ＹＣ信号Ｓ２（ＹＣ処理部１３によって生成された輝度信号と色差信号）を所定のフォーマットに従って圧縮する。具体的には、例えば、静止画ならばＪＰＥＧのフォーマットに従い、動画ならばＨ．２６４等のフォーマットに従ってデータ量の圧縮を行う。

-デジタル信号処理部１５-
デジタル信号処理部１５は、画角サイズの調整のための拡大縮小処理（いわゆるズーム処理）、傷補正、照明光色温度検出等のデジタルビデオカメラとしての動作に必要な信号処理を行う。さらに、デジタル信号処理部１５は、装着されているＳＤカード４０に対して、データの読み込み及び書き出しを行う。また、さらに、デジタル信号処理部１５は、表示媒体であるＬＣＤ４１に対してプレビュー等の画像を表示する。

〈ＣＰＵ２０〉
ＣＰＵ２０は、デジタルビデオカメラ１がユーザの期待する動作を実現するのに必要な制御信号を、イメージセンサ６０、及びデジタル信号処理回路１０の各機能ブロックに対して出力する。例えば、ＣＰＵ２０は、撮像モジュール５０やデジタル信号処理回路１０に配置されている各機能ブロックに対して、撮像信号Ｓ１を混合して読み出すか、撮像信号Ｓ１を混合せずに読み出すかの切り替えや、ＹＣ処理部１３における画像処理のパラメータ等の設定等を行う。なお、このＣＰＵ２０には、レリーズボタンやデジタルビデオカメラ１の動作を設定するための信号（外部入力Ｓ３）が外部から入力されている。

〈撮像モジュール５０〉
撮像モジュール５０は、レンズ５１、タイミングジェネレータ５２、及びイメージセンサ６０を備えている。レンズ５１は、被写体からの光をイメージセンサ６０上に結像させる。また、タイミングジェネレータ５２は、イメージセンサ６０を駆動するのに必要な制御信号を生成する。

-イメージセンサ６０-
イメージセンサ６０は、レンズ５１からの光を光電変換し、撮像信号Ｓ１としてデジタル信号処理回路１０へ出力する。すなわち、イメージセンサ６０は本発明の固体撮像装置の一例である。本実施形態では、イメージセンサ６０としていわゆるＣＣＤ（Charge Coupled Device）型の固体撮像装置を採用し、該イメージセンサ６０は表面照射型のイメージセンサである。図２は、イメージセンサ６０の構成を示す図である。このイメージセンサ６０は、同図に示すように、複数の画素６１、垂直転送部６２、水平転送部６３、及び信号出力部６４を備えている。

このイメージセンサ６０では、画素６１が二次元状（行列状）に配置されている。そして、それぞれの画素６１が光電変換を行って、入射した光を電荷に変換している。なお、図２は、イメージセンサ６０の概略構造を示すものであり、イメージセンサ６０は、実際には同図に示したよりもさらに多数の画素６１を有している。

また、垂直転送部６２は、画素６１の各列に対応して設けられ、対応した列の各画素６１によって変換された電荷を水平転送部６３の方向へ転送する。水平転送部６３は、垂直転送部６２から転送されてきた電荷を信号出力部６４に転送する。信号出力部６４はフローティングディフュージョン（不図示）により、転送された電荷を電圧信号へ変換し、入射した光に対応する撮像信号Ｓ１として、イメージセンサ６０から出力する。

〈イメージセンサ６０の断面構造〉
図３は、イメージセンサ６０の画素６１部分の断面図である。このイメージセンサ６０は、図３に示すように、Ｎ型半導体層６１ａ、Ｐ型半導体層６１ｂ、光電変換素子６１ｃ、絶縁膜６１ｄ、遮光膜６１ｅ、平坦化膜６１ｆ、集光レンズ６１ｇ（マイクロレンズ）、及びカラーフィルタ７２を備えている。

このイメージセンサ６０では、図３に示すように、Ｎ型半導体層６１ａ上にはＰ型半導体層６１ｂが形成されている。そして、Ｐ型半導体層６１ｂにＮ型不純物がイオン注入されて形成されて、複数の光電変換素子６１ｃが形成されている。１つの光電変換素子６１ｃは、１つの画素６１に対応している。また、Ｐ型半導体層６１ｂ上には、光透過性の絶縁膜６１ｄが形成されている。

また、絶縁膜６１ｄ上には、光電変換素子６１ｃ毎にカラーフィルタ７２が形成されている。すなわち、イメージセンサ６０は複数のカラーフィルタ７２を有しており、これらのカラーフィルタ７２によってカラーフィルタ配列７０を構成している。

それぞれのカラーフィルタ７２は、分離すべき色に応じた分光透過率をそれぞれ有しており、カラーフィルタ７２の種類は色分離に必要な数だけある。すなわち、カラーフィルタ配列７０は、濾光する波長領域が互いに異なるカラーフィルタ７２を少なくとも３種類以上含んでいる。そして、これらのカラーフィルタ７２同士は、所定の波長領域において、分光透過率が等しくなっている。なお、これらのカラーフィルタ７２の分光透過率については後に詳述する。

また、これらのカラーフィルタ７２上には、素子の平坦化のために、平坦化膜６１ｆが形成されている。この平坦化膜６１ｆは二酸化珪素からなる。そして、平坦化膜６１ｆの上には、カラーフィルタ７２にそれぞれ対応して集光レンズ６１ｇが配されている。これらの集光レンズ６１ｇは入射光を光電変換素子６１ｃ上に集光する。なお、前記絶縁膜６１ｄには、特定のカラーフィルタ７２を透過した光のみが光電変換素子６１ｃに入射するように遮光膜６１ｅが設けられている。

〈カラーフィルタ配列７０の構成〉
このイメージセンサ６０では、カラーフィルタ配列７０は、ｎ行×ｍ列（ｎ及びｍは自然数）の単位配列７１が周期的に配置されて形成されている。そして、この単位配列７１は、赤、マゼンタ、イエロー、及び白のうちの少なくとも３種類以上のカラーフィルタ７２により構成されている。こうすることで、後述するように、長波長側で顕著に発生するクロストーク成分をキャンセルしてカラー映像信号を生成することが可能になる。

図４は、本実施形態における単位配列７１の構成を示す図である。この単位配列７１は、２行×２列にカラーフィルタ７２が配置されている。図４において、Ｗ、Ｒ、Ｍｇ、及びＹｅは、それぞれのカラーフィルタ７２が透過する色成分を示した記号である。すなわち、この単位配列７１は４種類のカラーフィルタ７２によって構成されている。具体的には、Ｗは白、Ｒは赤、Ｍｇはマゼンタ、Ｙｅはイエローをそれぞれ示している。すなわち、本実施形態の単位配列７１は、何れの種類のカラーフィルタ７２も、赤成分を透過させるようになっている。これらのカラーフィルタ７２は、具体的には有機材料の染料により形成されており、該染料により分光透過率が決定されている。このように有機材料を用いることで、分光透過率の精度が高いカラーフィルタ７２を作成でき、その結果、色再現性を高くできて画質の向上が可能になる。このカラーフィルタは、光を吸収することにより光の透過を抑制する。すなわち、有機材料を用いたカラーフィルタでは、分光透過率が主に吸収により決定されることになる。

図５は、透過する色成分がそれぞれＷ、Ｒ、Ｍｇ、及びＹｅであるカラーフィルタ７２の分光透過率をそれぞれ模式的に示した図である。図５では、破線がＷを透過するカラーフィルタ７２の分光透過率、一点鎖線がＲを透過するカラーフィルタ７２の分光透過率、実線がＭｇを透過するカラーフィルタ７２の分光透過率、点線がＹｅを透過するカラーフィルタ７２の分光透過率をそれぞれ示している。図５では、波長がλ１〜λ２の領域（可視光域（３８０ｎｍ〜７８０ｎｍ）よりも長波長側の領域）において、各カラーフィルタ７２の分光透過率が図示の都合でそれぞれ異なった値になっているが、実際にはこれらの４種類のカラーフィルタ７２は、波長がλ１〜λ２の領域においては分光透過率が互いに等しくなっている。すなわち、本実施形態のイメージセンサ６０は、既述の通り、何れの種類のカラーフィルタ７２も、赤成分を透過させるようになっているのである。

《イメージセンサ６０におけるクロストーク》
次に、イメージセンサ６０におけるクロストーク量について説明する。図６は、画素６１におけるクロストーク量を示す図である。この図は、着目する画素６１に入射した光が、隣接する画素６１に対してどの程度影響を及ぼすかを示している。この図では、横軸が入射光の波長（λ）であり、クロストーク量は、長波長側の方が短波長側よりも大きくなっている。

なお、クロストークに関しては、着目する画素６１の隣接方向や、画素の構造等で特性が異なる。ここでは、説明の簡略化のために、ある画素６１に対しては、その垂直及び水平方向に隣接する画素からのみクロストークの影響を受けるのとし、斜め方向の画素や、隣接した画素よりもさらに遠くに存在する画素の影響は無視できるものとして説明を行う。また、一般的には、長波長側のクロストーク量が大きいので、本実施形態では、この特性を代表的な特性として説明を行う。

以下では、従来との差異を明確化するために、本実施形態に係るイメージセンサ６０と、原色ベイヤ配列の単位配列を有したイメージセンサとの分光透過率を比較しながら説明を行う。

イメージセンサ６０の各画素６１は、列方向に隣接する２つの画素６１のそれぞれのカラーフィルタ７２と、行方向に隣接する２つの画素６１のそれぞれのカラーフィルタ７２からクロストークによる影響を受ける。すなわち、本実施形態では、透過する色がＷのカラーフィルタ７２（以下、単にＷのカラーフィルタ７２と呼ぶ。同様に、その他の種類のカラーフィルタ７２についても略称する。）に対応した画素６１は、２つのＭｇのカラーフィルタ７２と、２つのＲのカラーフィルタ７２からクロストークによる影響を受ける。同様に、Ｒのカラーフィルタ７２に対応した画素６１は、２つのＹｅのカラーフィルタ７２と、２つのＷのカラーフィルタ７２からクロストークによる影響を受ける。また、Ｍｇのカラーフィルタ７２に対応した画素６１は、２つのＷのカラーフィルタ７２と、２つのＹｅのカラーフィルタ７２からクロストークによる影響を受ける。さらに、Ｙｅのカラーフィルタ７２に対応した画素６１は、２つのＲのカラーフィルタ７２と、２つのＭｇのカラーフィルタ７２からクロストークによる影響を受ける。

一方、図７は、いわゆる原色ベイヤ配列の単位配列を示す図である。図７において、Ｇ、Ｒ、及びＢは、それぞれのカラーフィルタが透過する色成分を示した記号である。具体的には、Ｇは緑、Ｒは赤、Ｂは青をそれぞれ示している。この配列でも、各画素は、列方向に隣接する２つの画素のカラーフィルタと、行方向に隣接する２つの画素のカラーフィルタからクロストークによる影響を受ける。この原色ベイヤ配列では、Ｇのカラーフィルタに対応した画素は、行方向にＲのカラーフィルタが２つ隣接し、かつ列方向にＢのカラーフィルタが２つ隣接する場合と、行方向にＢのカラーフィルタが２つ隣接し、かつ列方向にＲのカラーフィルタが２つ隣接する場合がある。そして、いずれの場合も、それぞれ２つずつ隣接する、ＲのカラーフィルタとＢのカラーフィルタからクロストークによる影響を受ける。また、Ｒのカラーフィルタに対応した画素は、行方向、及び列方向の何れもＧのカラーフィルタと隣接しており、これらの２つのカラーフィルタからクロストークによる影響を受ける。また、Ｂのカラーフィルタに対応した画素も、行方向、及び列方向の何れもＧのカラーフィルタと隣接しており、これらの２つのカラーフィルタからクロストークによる影響を受ける。

ところで、着目した１つの画素の波長λにおける分光透過率は、次の関係式（１）で表すことができる。この関係式は、行方向及び列方向にそれぞれ隣接した画素（カラーフィルタ）のクロストークによる影響を考慮した式である。なお、関係式（１）における、「着目画素の分光透過率（λ）」とは、画素６１における分光透過率を単独で評価した値、すなわちクロストークによる影響がない場合の分光透過率である。

クロストークによる影響を考慮した分光透過率（λ）＝
（１−４×クロストーク量（λ））×着目画素の分光透過率（λ）
＋クロストーク量（λ）×着目画素の列方向に隣接する一方の画素の分光透過率（λ）
＋クロストーク量（λ）×着目画素の列方向に隣接するもう一方の画素の分光透過率（λ）
＋クロストーク量（λ）×着目画素の行方向に隣接する一方の画素の分光透過率（λ）
＋クロストーク量（λ）×着目画素の行方向に隣接するもう一方画素の分光透過率（λ）・・・関係式（１）
この関係式（１）は、ある波長λにおいて、着目している画素６１への入射光はクロストーク量（λ）だけ上下左右の４方向の画素６１へ漏れ、上下左右の４方向において着目画素６１に隣接するそれぞれの画素６１への入射光は、それぞれクロストーク量（λ）だけ着目画素６１へ漏れ込んでくるということを示している。そして、着目画素６１の分光透過率は、これらのクロストーク量（λ）により決定される。

図８は、原色ベイヤ配列における各カラーフィルタの分光透過率の一例を示す図である。図８に示した長波長側の部分（図８に示すλ３以上の領域）においては、各カラーフィルタの分光透過率が大きく異なっている。そして、原色ベイヤ配列のカラーフィルタは、この長波長側の部分においてはクロストーク量が大きい。すなわち、クロストークの影響を考慮すると、Ｒのカラーフィルタの長波長側の分光透過率が下がり、Ｇのカラーフィルタの長波長側の分光透過率が上がることになる。単純に試算すると、クロストーク量が１６．７％を超える波長の光が入射した場合には、例えばＲとＧのカラーフィルタに対応する画素の信号量の大小関係が期待値と反転する。これは、色再現という観点からは好ましくない。

これに対し、本実施形態のイメージセンサ６０では、何れの画素６１においても、分光透過率はクロストークによる影響を受けない。関係式（１）からも分かるように、ある波長λにおいて、着目画素、行方向に隣接する２つの画素、及び列方向に隣接する２つの画素の分光透過率が互いに等しければ、クロストークを生じても、着目画素の分光透過率には影響がないことになる。詳しくは、このイメージセンサ６０は、Ｗ、Ｒ、Ｍｇ、Ｙｅのそれぞれのカラーフィルタ７２の分光透過率が、波長が長波長側の部分の領域（図５に示したλ１〜λ２の領域）においては互いに等しくなっている。したがって、このイメージセンサ６０では、波長λ１〜λ２の領域においては、画素６１が図６に示すクロストーク量を有していても、それが互いにキャンセルされる。すなわち、原理的には各画素６１の分光透過率は、他の画素６１からのクロストークによる影響を受けない。

なお、イメージセンサ６０では、短波長側（図５に示した波長λ１以下の領域）においては、行方向に隣接する２つの画素６１のカラーフィルタ７２、及び列方向に隣接する２つの画素６１のカラーフィルタ７２の分光透過率が互いに異なっている。しかしながら、図６に示したように、短波長側のクロストーク量は長波長側と比較して少ないという特性があるので、画素間の分光透過率の相違による、着目画素の分光透過率への影響は小さい。

《本実施形態における効果》
以上のように、本実施形態によれば、何れの画素においても、所定の波長以上の入射光に対するクロストークの影響を受けないようにすることが可能になる。

詳しくは、本実施形態のイメージセンサ６０では、全てのカラーフィルタ７２が赤成分を透過するので、主に長波長可視光が全ての画素６１に到達する。そのため、長波長側で顕著に発生するクロストーク成分を全ての画素でキャンセルすることが可能になる。そして、その結果、画質の劣化を抑制することが可能になる。

また、本実施形態ではカラーフィルタ配列７０がｎ×ｍの単位配列で構成されているので、イメージセンサ６０の出力を映像信号に変換する処理部を簡易化することが可能になる。

また、本実施形態の単位配列７１では、輝度信号に大きく寄与する緑の成分を透過するカラーフィルタ７２が千鳥状に並んでいる。そのため、輝度の解像度を向上でき、さらに、白を含むことで感度を向上することが可能になる。

《発明の実施形態２》
図９は、本発明の実施形態２に係るデジタルビデオカメラ２の構成を示すブロック図である。デジタルビデオカメラ２は、撮像モジュール５０の構成が実施形態１のデジタルビデオカメラ１と異なっている。具体的には、本実施形態の撮像モジュール５０は、光学フィルタ８０が追加されている。実施形態２の撮像モジュール５０では、撮影が行われると、被写体からの入射光は、レンズ５１と光学フィルタ８０を通してイメージセンサ６０に入光する。

この光学フィルタ８０は、各カラーフィルタ７２同士の分光透過率が互いに等しい領域（図５等を参照）よりも長波長の光の透過を抑制する。このようにすれば、光学フィルタ８０により、クロストーク量が無視できないほど大きくなる波長におけるクロストークのみを選択的に抑制することが可能になる。

具体的には、この光学フィルタ８０は、波長λ’（後述）以上の光の透過を抑制するＩＲカットフィルタである。光学フィルタ８０は、光を吸収することで所定の波長以上の光を抑制する形式であってもよいし、光を反射することで所定の波長以上の光を抑制する形式であってもよい。例えば、反射することで所定の波長以上の光を抑制する形式を採用すれば、光学フィルタ８０の耐久性を上げることが可能になる。また、光を吸収することで所定の波長以上の光を抑制する形式を採用すれば、光学フィルタ８０に入射する光の角度にあまり依存しない分光透過率となる。これにより、斜め光等によるシェーディングを防げ、画質の劣化を抑制することが可能になる。

また、各カラーフィルタ７２の分光透過率も実施形態１とは異なっている。図１０は、本実施形態におけるカラーフィルタ７２の分光透過率を示している。同図に示すように、このカラーフィルタ７２では、可視光域の長波長の部分から近赤外域の波長λ’まで、概ね分光透過率が一致しており、波長λ’以上では分光透過率に差異が存在している。

《実施形態２におけるクロストーク》
図１１は、光学フィルタ８０を介して入射光を受けたイメージセンサ６０の分光透過率を示す図である。同図に示すように、波長λ’以上の波長領域（すなわちカラーフィルタ７２において分光透過率に差異が現れる領域）では入射光は殆ど透過しなくなる。これにより、波長λ’以上の領域における分光透過率の差異が極めて小さくなる。また、可視光の長波長領域では、全てのカラーフィルタにおいて分光透過率が概ね等しくなっている。すなわち、このデジタルビデオカメラ２では、クロストークの影響の大きい可視光の長波長領域、及び波長λ’以下の近赤外域の波長におけるクロストークは全てキャンセルされることになる。

《実施形態２の変形例》
〈１〉なお、実施形態２では、光学フィルタ８０は、可視光域の長波長の透過を抑制する特性であってもよい。

〈２〉また、光学フィルタ８０によって透過を抑制する波長域（上記の例ではλ’以上の領域）は例示である。例えば、関係式（１）から求められる分光透過率が所望の値となるように、光学フィルタ８０の波長域を設定すればよい。

《発明の実施形態３》
実施形態３のデジタルビデオカメラは、ＹＣ処理部１３の構成とカラーフィルタ７２の構成が実施形態１とは異なっている。本実施形態のカラーフィルタ配列には、近赤外域の波長の光の透過を抑制するカラーフィルタ７２と、近赤外域の波長の光の透過を許容するカラーフィルタ７２が混在している。

図１２は、本発明の実施形態３に係るカラーフィルタを構成する単位配列９０を示す図である。図１２に示すように、この単位配列９０は２行×２列に構成され、この単位配列９０が周期的に配置されてカラーフィルタ配列が構成されている。図１２において、Ｗ＋ＩＲ、Ｙｅ＋ＩＲ、Ｍｇ＋ＩＲ、及びＷは、それぞれのカラーフィルタ７２が透過する色成分示した記号である。具体的には、Ｗ＋ＩＲは白と近赤外域、Ｙｅ＋ＩＲはイエローと近赤外域、Ｍｇ＋ＩＲはマゼンタと近赤外域、Ｗは白をそれぞれ透過することを示している。また、図１３は、Ｗ＋ＩＲのカラーフィルタ７２、Ｗのカラーフィルタ７２、Ｍｇ＋ＩＲのカラーフィルタ７２、及びＹｅ＋ＩＲのカラーフィルタ７２のそれぞれの分光透過率を模式的に示した図である。同図では、破線がＷ＋ＩＲのカラーフィルタ７２、一点鎖線がＷのカラーフィルタ７２、実線がＭｇ＋ＩＲのカラーフィルタ７２、点線がＹｅ＋ＩＲのカラーフィルタ７２の分光透過率をそれぞれ示している。なお、この例では可視光域以上の波長から波長λ’までの領域では、各カラーフィルタ７２の透過が抑制されている。

また、本実施形態のＹＣ処理部１３は、近赤外域の波長の光に対するイメージセンサの出力を補正する。例えば、近赤外域の波長の光のみの環境下においては、単位配列９０では、Ｗのカラーフィルタ７２のみ近赤外域に対する感度がない。そのため、２行×２列の単位配列９０のうちの１画素分が欠落した撮像信号になる。そこで、本実施形態のＹＣ処理部１３は、その１画素分を補完することで近赤外域の映像信号を出力する。

可視光と近赤外域の波長の光が混在している環境下においては、画素６１からの信号には、（可視光の所定の色＋近赤外）の情報含んだものと、可視光のみの情報を含んだものとがある。そこで、本実施形態のＹＣ処理部１３では、各画素同士の加減算、及びマトリクス演算からＲ、Ｇ、Ｂの信号を算出する。算出されたＲ、Ｇ、Ｂ信号のそれぞれの値から、近赤外の情報を算出し、可視光の映像信号と近赤外域の映像信号の少なくとも一方を出力する。このようにすることで、近赤外域の波長の光のみの環境下において、感度がない１画素分を補完することが可能になる。

以上のように、本実施形態のイメージセンサを用いた撮像システムでは、可視光以外の近赤外域の波長の光を利用した撮影を行うことが可能になる。

なお、可視光域以上の波長から波長λ’までの分光透過率が不均一である場合には、カラーフィルタとは別に光学フィルタを光路に追加して、可視光域以上の波長から波長λ’までの透過特性を抑制するようにしてもよい。このようにすれば、可視光のみを撮影し、クロストークによる影響を効率的にキャンセルすることが可能になる。

《その他の実施形態》
〈１〉なお、上記の各実施形態及び変形例では、各カラーフィルタ７２の分光透過率は、所定の波長領域において上記のように互いに等しいのが最も好ましいが、これらは概ね等しければよく（差異が小さければ小さいほどよい）、多少の差異は許容できる。

〈２〉また、実施形態１、２とその変形例では、ＹＣ処理部１３において、長波長以外の色成分である緑色、或いは青色の成分の大きさに応じて高周波成分の抑制を行うことで、映像信号全体の解像感のバラツキを抑えるようにしてもよい。ＹＣ処理部１３における、この高周波成分の抑制や前記の高周波成分の補償は、輝度信号に対して行う他に、色差信号に対して行うことも可能である。また、ＹＣ処理部１３から出力される信号がＲ、Ｇ、Ｂ信号である場合には、Ｒの高周波成分の補償のみを行うようにしてもよいし、高周波成分（Ｇ、Ｂのうちの少なくとも一方）の抑制のみを行うようにしてもよい。勿論、前記高周波成分の補償、前記高周波成分の補償と抑制を同時に行うようにしてもよい。このようにすれば、赤成分の解像度と、高周波成分が多く含まれる緑や青成分の解像度との差を低減することができ、画質の向上が可能になる。

〈３〉また、上記の各実施形態及び変形例では、イメージセンサ６０における画素６１の配列は、上記のような正方格子の他にも、斜方格子としてもよいし、各画素重心が画素ずらしの関係にある配列になるようにしてもよい。

〈４〉また、実施形態１、２とその変形例では、単位配列７１の構成も例示である。例えば、単位配列７１は、図１４に示されるような単位配列としてもよい。また、図１４に示される単位配列を１８０度、９０度、４５度、或いは任意の角度に回転させた配列であってもよい。

〈５〉また、上記の各実施形態及び変形例では、単位配列７１は２行×２列としたが、図１５に示すようにｎ×ｍ（ｎ及びｍは自然数）であればよいし、単位配列を１８０度、９０度、４５度、或いは、任意の角度に回転させた配列であってもよい。

〈６〉また、上記の各実施形態及び変形例では、カラーフィルタ７２の材料は、有機材料の顔料であってもよい。

〈７〉また、上記の各実施形態及び変形例では、カラーフィルタ７２の材料は、有機材料の代わりに無機材料を用いてもよい。無機材料を用いることで、イメージセンサ６０（固体撮像装置）の製造プロセスを簡易化でき、コスト削減を行うことが可能になる。このカラーフィルタは、光を反射することにより光の透過を抑制する。すなわち、無機材料を用いたカラーフィルタでは、分光透過率が主に反射により決定されることになる。

無機材料を用いる場合には、単層膜構造でもよいし多層膜構造でもよい。単層膜構造を採用した場合には、カラーフィルタの耐久性向上、作成のコスト低減が可能になる。また、多層構造を採用した場合には、単層構造と比較して作成コストが上昇するが、カラーフィルタ７２の分光透過率を容易に調節できる。

〈８〉また、実施形態１では、撮像モジュール５０にＩＲカットフィルタを追加して、イメージセンサ６０への近赤外域波長光の透過を抑制するようにしてもよい。また、近赤外域の波長の光も同時に画素６１に受光させる撮像システムにおいては、可視光域（波長３８０ｎｍ〜７８０ｎｍ）のクロストークによる分光透過率の変動が十分小さい場合には、近赤外域の分光透過率を概ね等しくする形態であってもよい。このようにすれば、人間の視感度特性が無い部分のイメージセンサ６０の出力レベルを抑制することが可能になり、画像の品位向上が可能になる。

〈９〉また、上記の各実施形態及び変形例では、イメージセンサ６０をＣＣＤ型の固体撮像装置としたが、ＣＭＯＳ型の固体撮像装置でもよいし、ＮＭＯＳ型の固体撮像装置でもよい。

〈１０〉また、上記の各実施形態及び変形例では、イメージセンサ６０は、表面照射型のイメージセンサとしたが、裏面照射型のイメージセンサでもよい。

〈１１〉上記の各実施形態及び変形例では、撮像システムとしてデジタルビデオカメラを例示したが、電子スチルカメラでもよいし、内視鏡でもよい。

〈１２〉また、単位配列７１を構成するカラーフィルタの種類も例示である。例えば、第１行にイエローのカラーフィルタとマゼンタのカラーフィルタがこの順に配置され、第２行に赤のカラーフィルタとイエローのカラーフィルタがこの順に配置されるようにしてもよい。この例では、輝度信号に大きく寄与する緑の成分を透過するカラーフィルタが千鳥状に並び、輝度の解像度を向上することが可能になる。

また、第１行にイエローのカラーフィルタとマゼンタのカラーフィルタがこの順に配置され、第２行にイエローのカラーフィルタと赤のカラーフィルタがこの順に配置されるようにしてもよい。この例では、輝度の水平方向の解像度は劣化するが、垂直方向の解像度を向上することが可能になる。

また、第１行にイエローのカラーフィルタとマゼンタのカラーフィルタがこの順に配置され、第２行に白のカラーフィルタと赤のカラーフィルタがこの順に配置されるようにしてもよい。この例では、色情報を含む赤と青を透過するカラーフィルタが千鳥状に並び、色信号の解像度を向上することが可能になる。

また、第１行に白のカラーフィルタとマゼンタのカラーフィルタがこの順に配置され、第２行に赤のカラーフィルタと白のカラーフィルタがこの順に配置されるようにしてもよい。この例では、輝度信号に大きく寄与する緑の成分を透過するカラーフィルタが千鳥状に並び、輝度の解像度を向上できる。さらには、より多く白を含んでいるので、さらなる感度の向上が可能になる。

また、第１行に白のカラーフィルタとイエローのカラーフィルタがこの順に配置され、第２行に赤のカラーフィルタと白のカラーフィルタがこの順に配置されるようにしてもよい。この例では、輝度信号に大きく寄与する緑の成分を透過するカラーフィルタがより多く含まれる。それゆえ、解像度を向上することが可能になる。

また、第１行に白のカラーフィルタとマゼンタのカラーフィルタがこの順に配置され、第２行に白のカラーフィルタと赤のカラーフィルタがこの順に配置されるようにしてもよい。この例では、白のカラーフィルタを多く含むことで感度が向上する。一方、輝度の水平方向の解像度は劣化するが、垂直方向の解像度を向上することが可能になる。

また、第１行に白のカラーフィルタとイエローのカラーフィルタがこの順に配置され、第２行に白のカラーフィルタと赤のカラーフィルタがこの順に配置されるようにしてもよい。この例では、輝度信号に大きく寄与する緑の成分を透過するカラーフィルタがより多く含まれるので、解像度を向上することが可能になる。

〈１３〉また、実施形態１、２とその変形例では、単位配列７１において、分光透過率を等しくする領域（図５に示した波長がλ１〜λ２の領域）は例示である。撮像システムの用途に応じて適宜選定すればよい。

例えば、λ１が３８０ｎｍ〜７８０ｎｍ（可視域）であるとすると、可視光域を撮影する場合のクロストークを軽減でき、画質の向上が可能になる。

また、λ１が７８０ｎｍ（近赤外域）以上であるとすると、近赤外域波長の光を撮影する場合のクロストークを軽減でき、画質の向上が可能になる。

また、λ１を３８０ｎｍ〜７８０ｎｍ（可視域）とし、λ２を可視域である３８０ｎｍ〜７８０ｎｍであってλ１よりも長くすると、可視光域を撮影する場合において、可視光域のみのクロストークを軽減でき、画質の向上が可能になる。

また、λ１を３８０ｎｍ〜７８０ｎｍ（可視域）とし、λ２を７８０ｎｍ（近赤外域）以上とすると、可視光域と近赤外域を撮影する場合において、可視光域と近赤外域のクロストークを軽減でき、画質の向上が可能になる。

また、λ１を７８０ｎｍ（近赤外域）以上とし、λ２を７８０ｎｍ（近赤外域）以上であってλ１よりも長くすると、近赤外域を撮影する場合において、特定の波長の近赤外域のクロストークを選択的に軽減でき、画質の向上が可能になる。

本発明に係る固体撮像装置は、クロストークによる画質の劣化を抑制することが可能になるという効果を有し、入射光を撮像信号として出力する固体撮像装置、固体撮像装置、それを用いた撮像モジュール及び撮像システム等として有用である。

本発明の実施形態１に係るデジタルビデオカメラ１の構成を示すブロック図である。 本発明の実施形態１に係るイメージセンサ６０の構成を示す図である。 イメージセンサ６０の画素６１部分の断面図である。 実施形態１における単位配列７１の構成を示す図である。 Ｗ、Ｒ、Ｍｇ、Ｙｅのカラーフィルタ７２のそれぞれの分光透過率を模式的に示した図である。 画素６１におけるクロストーク量を示す図である。 いわゆる原色ベイヤ配列の単位配列を示す図である。 原色ベイヤ配列における各カラーフィルタの分光透過率を示す図である。 本発明の実施形態２に係るデジタルビデオカメラ２の構成を示すブロック図である。 実施形態２におけるカラーフィルタ７２の分光透過率を示す図である。 光学フィルタ８０を介して入射光を受けたイメージセンサ６０の分光透過率を示す図である。 実施形態３に係るカラーフィルタを構成する単位配列を示す図である。 Ｗ＋ＩＲ、Ｗ、Ｍｇ＋ＩＲ、Ｙｅ＋ＩＲのカラーフィルタ７２のそれぞれの分光透過率を模式的に示した図である。 単位配列７１の変形例を示す図である。 単位配列７１の他の変形例を示す図である。

１，２ デジタルビデオカメラ（撮像システム）
６０ イメージセンサ（固体撮像装置）
６１ｃ 光電変換素子
７０，９０ カラーフィルタ配列
７１ 単位配列
７２ カラーフィルタ
８０ 光学フィルタ
Ｓ１ 撮像信号

Claims (32)

1. 被写体からの入射光を撮像信号として出力する固体撮像装置であって、
   前記入射光を光電変換する複数の光電変換素子と、
   濾光する波長領域が互いに異なるカラーフィルタを少なくとも３種類以上含んだカラーフィルタ配列と、
   を備え、
   それぞれの光電変換素子には、前記カラーフィルタの何れかが配置されて前記入射光が濾光され、
   前記カラーフィルタ同士は、所定の波長領域において、分光透過率が等しいことを特徴とする固体撮像装置。
2. 請求項１の固体撮像装置において、
   前記所定の波長領域は、可視光の波長以上の波長領域に含まれていることを特徴とする固体撮像装置。
3. 請求項１の固体撮像装置において、
   前記所定の波長領域よりも長波長の光の透過を抑制する光学フィルタをさらに備えていることを特徴とする固体撮像装置。
4. 請求項３の固体撮像装置において、
   前記光学フィルタは、近赤外域の波長の光の透過を抑制することを特徴とする固体撮像装置。
5. 請求項３の固体撮像装置において、
   前記光学フィルタは、光を反射することにより光の透過を抑制することを特徴とする固体撮像装置。
6. 請求項３の固体撮像装置において、
   前記光学フィルタは、光を吸収することにより光の透過を抑制することを特徴とする固体撮像装置。
7. 請求項１の固体撮像装置において、
   前記カラーフィルタは、有機材料により構成されていることを特徴とする固体撮像装置。
8. 請求項１の固体撮像装置において、
   前記カラーフィルタは、無機材料により構成されていることを特徴とする固体撮像装置。
9. 請求項１の固体撮像装置において、
   前記カラーフィルタは、光を反射することにより光の透過を抑制することを特徴とする固体撮像装置。
10. 請求項１の固体撮像装置において、
    前記カラーフィルタは、光を吸収することにより光の透過を抑制することを特徴とする固体撮像装置。
11. 請求項８の固体撮像装置において、
    前記カラーフィルタは、多層膜構造を有していることを特徴とする固体撮像装置。
12. 請求項８の固体撮像装置において、
    前記カラーフィルタは、単層膜構造を有していることを特徴とする固体撮像装置。
13. 請求項１の固体撮像装置において、
    何れの種類の前記カラーフィルタも、赤成分を透過させることを特徴とする固体撮像装置。
14. 請求項１３の固体撮像装置において、
    前記カラーフィルタ配列は、赤のカラーフィルタ、マゼンタのカラーフィルタ、イエローのカラーフィルタ、及び白のカラーフィルタのうちの少なくとも３種類以上により構成されていることを特徴とする固体撮像装置。
15. 請求項１３の固体撮像装置において、
    前記カラーフィルタ配列は、ｎ行×ｍ列（ｎ及びｍは自然数）の単位配列が複数配置されて形成されていることを特徴とする固体撮像装置。
16. 請求項１５の固体撮像装置において、
    前記単位配列は、ｎ＝ｍに形成されていることを特徴とする固体撮像装置。
17. 請求項１６の固体撮像装置において、
    前記単位配列は、２行×２列に形成されて、第１行にイエローのカラーフィルタとマゼンタのカラーフィルタがこの順に配置され、第２行に赤のカラーフィルタとイエローのカラーフィルタがこの順に配置されていることを特徴とする固体撮像装置。
18. 請求項１６の固体撮像装置において、
    前記単位配列は、２行×２列に形成されて、第１行にイエローのカラーフィルタとマゼンタのカラーフィルタがこの順に配置され、第２行に赤のカラーフィルタと白のカラーフィルタがこの順に配置されていることを特徴とする固体撮像装置。
19. 請求項１６の固体撮像装置において、
    前記単位配列は、２行×２列に形成されて、第１行にイエローのカラーフィルタとマゼンタのカラーフィルタがこの順に配置され、第２行にイエローのカラーフィルタと赤のカラーフィルタがこの順に配置されていることを特徴とする固体撮像装置。
20. 請求項１６の固体撮像装置において、
    前記単位配列は、２行×２列に形成されて、第１行にイエローのカラーフィルタとマゼンタのカラーフィルタがこの順に配置され、第２行に白のカラーフィルタと赤のカラーフィルタがこの順に配置されていることを特徴とする固体撮像装置。
21. 請求項１６の固体撮像装置において、
    前記単位配列は、２行×２列に形成されて、第１行に白のカラーフィルタとマゼンタのカラーフィルタがこの順に配置され、第２行に赤のカラーフィルタと白のカラーフィルタがこの順に配置されていることを特徴とする固体撮像装置。
22. 請求項１６の固体撮像装置において、
    前記単位配列は、２行×２列に形成されて、第１行に白のカラーフィルタとイエローのカラーフィルタがこの順に配置され、第２行に赤のカラーフィルタと白のカラーフィルタがこの順に配置されていることを特徴とする固体撮像装置。
23. 請求項１６の固体撮像装置において、
    前記単位配列は、２行×２列に形成されて、第１行に白のカラーフィルタとマゼンタのカラーフィルタがこの順に配置され、第２行に白のカラーフィルタと赤のカラーフィルタがこの順に配置されていることを特徴とする固体撮像装置。
24. 請求項１６の固体撮像装置において、
    前記単位配列は、２行×２列に形成されて、第１行に白のカラーフィルタとイエローのカラーフィルタがこの順に配置され、第２行に白のカラーフィルタと赤のカラーフィルタがこの順に配置されていることを特徴とする固体撮像装置。
25. 請求項１３の固体撮像装置において、
    前記カラーフィルタ配列には、近赤外域の波長の光の透過を抑制するカラーフィルタと、近赤外域の波長の光の透過を許容するカラーフィルタとが混在していることを特徴とする固体撮像装置。
26. 請求項１３の固体撮像装置において、
    前記所定の波長領域よりも長波長の光の透過を抑制する光学フィルタをさらに備えていることを特徴とする固体撮像装置。
27. 請求項１の固体撮像装置において、
    該固体撮像装置は、ＣＭＯＳ型固体撮像装置、ＮＭＯＳ型固体撮像装置、及びＣＣＤ型固体撮像装置の何れかであることを特徴とする固体撮像装置。
28. 請求項１の固体撮像装置と、
    レンズと、
    を備えたことを特徴とする撮像モジュール。
29. 請求項２８の撮像モジュールと、
    前記撮像モジュールの固体撮像装置が出力した撮像信号を処理する信号処理回路と、
    を備えたことを特徴とする撮像システム。
30. 請求項２９の撮像システムにおいて、
    前記信号処理回路は、前記撮像信号に含まれている赤成分の割合に応じて、該撮像信号の高周波成分の強調を行うことを特徴とする撮像システム。
31. 請求項２９の撮像システムにおいて、
    前記信号処理回路は、前記撮像信号に含まれている青成分の割合及び緑成分の割合に応じて、該撮像信号の高周波成分の抑制を行うことを特徴とする撮像システム。
32. 請求項２９の撮像システムにおいて、
    該撮像システムは、電子スチルカメラ、電子ムービーカメラ、及び内視鏡の何れかであることを特徴とする撮像システム。

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