JP2005269526A - カラーセンサー及びカラー撮像システム - Google Patents

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Abstract

【課題】高感度で、かつ人の目の分光感度に近く、しかも偽色の無い画像を再生できるカラーセンサーを提供する。
【解決手段】ＲＧＢ表色系における各色の刺激値に対応するそれぞれの色信号を発生する受光エレメント６１，６２，６３により撮像し、前記赤（Ｒ）の信号を発生する受光エレメントまたは該エレメントが発生する赤（Ｒ）信号に、青色（Ｂ）を受光するエレメントに発生した信号を正感度成分として加味する手段を有する。更に、上記に加えて分光領域（ＢＧ）に対する分光感度を有する受光エレメントを有し、赤（Ｒ）の色信号から予め設定された係数に基づく比率で減算処理して新たな赤信号（Ｒ′）の色信号を形成する手段を有する。
【選択図】図５

Description

本発明は、光電変換層を積層させた形の固体撮像素子（以後カラーセンサーと呼ぶ）に関するものである。とくに高感度で、かつ人の目の分光感度に近く、しかも偽色の無い撮像素子に関するものである。
従来の固体撮像素子は、光電変換層が電荷転送路とほぼ同一平面に設けられた構造であるが、この構造では画素数の増大に伴って画素サイズが光波長と同程度に近づくと、光が光電変換層に導波されにくくなり、またカラーフィルターでの光損失による光の利用効率低下も避けられないという欠点を有している。さらに、Ｒ，Ｇ，Ｂの３色光を異なる位置で検出するために、色分離が起こって偽色が生じることもあるので、これを回避するためにローパスフィルターを必要とするのでこのフィルターによる光損失も生じる。カラーフィルターにエメラルド色を加えて４色カラー化しても偽色の問題は解決されない。
従来型の平面配置型光電変換層の固体撮像素子のこのような弱点の解決策としては、既に１９８３年に受光部を積層構造とした固体撮像素子が特許文献１に提案されていたが、積層化の具体化手段として、Si半導体の吸収係数の波長依存性を利用して、積層された受光部を構成し、その深さ方向で色分離を行うカラーセンサーが特許文献２〜４に報告されている。しかしながら、これらの開示技術は、積層された受光部での分光感度の波長依存性がブロードであり、色分離が不十分であるという問題点がある。特に、青と緑色の色分離が不十分である。
この問題を解決するために、特許文献５に緑色光を受け入れるセンサーユニットをSi半導体の受光素子の上部に設け、青と赤の色光をSi半導体の受光素子で受光するという方式が提案されている。しかしながら、この方法でも人間の視覚の分光感度との差が大きいという欠点がある。
また、特許文献６には、単板方式及び多板方式において青光と緑光の中間領域の光を取込んで、受光した画像情報の演算処理に加えることによって人間の視覚の分光感度に合せた画像情報を得る試みがなされている。しかしながら、単板方式及び多板方式においても分光感度の補正が十分でない。さらに、特許文献７に有機半導体の電荷移動速度を調整して画像の電気信号を精彩化した積層型センサーが報告されているが、依然として人の感性に近い分光感度を実現できていない。
この発明に関連する前記の先行技術には、次ぎの文献がある。
特開昭５８−１０３１６５号公報 特開平７−３８１６５号公報 米国特許５９６５８７５号公報 米国特許６６３２７０１号公報 特開２０００−３３２５５１号公報 特開２８７２７５９号公報 特開３３１５２１３号公報
上記したように、カラーセンサーの撮像部位を多層化することによって感度や偽色などの改善を図ると視感度からの乖離により再生画像の色再現性が不十分となり、感度と色品質を共に満足する手段が得られていない。
本発明は、このような背景からなされたものである。すなわち、本発明の目的は、高感度で、しかも人間の視覚に忠実で、偽色の無い画像を再生できるカラーセンサーを提示することである。
本発明者は、上記目的に対して、受光素子の工夫及び受光素子が捕らえた情報の演算処理の工夫の両面から、カラーセンサーの分光感度と人間の目の視覚の分光分布との間の相違を補償してカラーセンサーが捕らえた画像情報を視覚による画像情報に一致又は近似させる方法を鋭意探索した結果、下記のカラーセンサー及びカラー撮像システムによって本発明の課題を達成することができた。
すなわち、本発明は下記の通りである。
（１）ＲＧＢ表色系における各色の刺激値に対応するそれぞれの色信号を発生する受光エレメントを有し、そのうちの赤（Ｒ）の信号を発生する受光エレメントまたは該エレメントが発生する赤（Ｒ）信号に、青色（Ｂ）の刺激値に対応する信号を正感度成分として加味する手段を有することを特徴とするカラーセンサー。
（２）前記ＲＧＢの各色の刺激値に対応するそれぞれの色信号を発生する３つの受光エレメントがそれぞれ少なくとも光電変換膜を有し、それぞれの光電変換膜の主要光吸収の極大値が、５８０〜６５０ｎｍ、５３０〜５６０ｎｍ及び４００〜４６０ｎｍにあることを特徴とする上記（１）に記載のカラーセンサー。
（３）更に、前記ＲＧＢ表色系における青（Ｂ）と緑（Ｇ）の中間色の分光領域（ＢＧ）に対する分光感度を有する他の受光エレメントを有し、該他の受光エレメントに発生した信号を前記赤（Ｒ）の色信号から予め設定された係数に基づく比率で減算処理することにより新たな赤信号（Ｒ′）の色信号を形成する手段を有することを特徴とする上記（１）に記載のカラーセンサー。
（４）前記ＲＧＢの各色の刺激値に対応するそれぞれの色信号を発生する３つの受光エレメント及び青（Ｂ）と緑（Ｇ）の中間色の分光領域（ＢＧ）に対する分光感度を有する他の受光エレメントがそれぞれ少なくとも光電変換膜を有し、それぞれの光電変換膜の主要光吸収の極大値が、５８０〜６５０ｎｍ、５３０〜５６０ｎｍ、４００〜４６０ｎｍ及び４８０〜５３０ｎｍにあることを特徴とする上記（３）に記載のカラーセンサー。
（５）前記赤（Ｒ）の信号を発生する受光エレメントが、４００〜４６０ｎｍに主要光吸収の極大値がある物質を含むことを特徴とする上記（１）〜（４）のいずれかに記載のカラーセンサー。
（６）上記複数の受光エレメントが、Ｓｉ基板上に有機半導体を含む積層膜として構成されていることを特徴とする上記（１）〜（５）のいずれかに記載のカラーセンサー。
（７）受光面側の最上層に、前記青色の信号を正感度成分として加味する手段として、赤色の信号を発生する受光エレメントに、赤色の感度を有する材料以外に青色の感度を有する材料を配置することを特徴とする上記（１）〜（６）のいずれかに記載のカラーセンサー。
（８）前記青色の感度を有する材料が有機色素であることを特徴とする上記（７）に記載のカラーセンサー。
（９）前記青色の感度を有する材料が半導体超微粒子であることを特徴とする上記（７）に記載のカラーセンサー。
（１０）上記（１）に記載のカラーセンサーを用いて、ＲＧＢ表色系における各色の刺激値に対応するそれぞれの色信号を発生する受光エレメントにより撮像し、赤（Ｒ）の信号を発生する受光エレメントに発生した信号に、青色（Ｂ）を受光するエレメントに発生した信号を正感度成分として加味する演算処理を行うことによって色再現を行うことを特徴とする固体撮像システム。
（１１）更に、緑（Ｇ）を受光するエレメントに発生した信号を前記赤（Ｒ）の色信号から予め設定された係数に基づく比率で減算処理することにより新たな赤信号（Ｒ′）の色信号を形成し、この新たな赤（Ｒ′）の色信号を色混合処理における赤の色信号として適用することで色再現を行うことを特徴とする上記（１０）に記載の固体撮像システム。
（１２）上記（３）に記載のカラーセンサーを用いて、ＲＧＢ表色系における各色の刺激値に対応するそれぞれの色信号を発生する受光エレメントにより撮像し、赤（Ｒ）の信号を発生する受光エレメントに発生した信号に、青色（Ｂ）を受光するエレメントに発生した信号を正感度成分として加味する演算処理を行うとともに、前記青（Ｂ）と緑（Ｇ）の中間色の分光領域（ＢＧ）に対する分光感度を有する他の受光エレメントに発生した信号を前記赤（Ｒ）の色信号から予め設定された係数に基づく比率で減算処理することにより新たな赤信号（Ｒ′）の色信号を形成し、この新たな赤（Ｒ′）の色信号を色混合処理における赤の色信号として適用することで色再現を行うことを特徴とする固体撮像システム。
（１３）更に、緑（Ｇ）を受光するエレメントに発生した信号を青（Ｂ）の色信号から予め設定された係数に基づく比率で減算処理することにより新たな青信号（Ｂ′）の色信号を形成し、この新たな青（Ｂ′）の色信号を色混合処理における青の色信号として適用することで色再現を行うことを特徴とする上記（１０）〜（１２）のいずれかに記載の固体撮像システム。
（１４）更に、青（Ｂ）を受光するエレメントに発生した信号を緑（Ｇ）の色信号から予め設定された係数に基づく比率で減算処理することにより新たな緑信号（Ｇ′）の色信号を形成し、この新たな緑（Ｇ′）の色信号を色混合処理における緑の色信号として適用することで色再現を行うことを特徴とする上記（１０）〜（１３）のいずれかに記載の固体撮像システム。
（１５）上記（７）に記載のカラーセンサーを用いて、ＲＧＢ表色系における各色の刺激値に対応するそれぞれの色信号を発生する受光エレメントにより撮像し、緑（Ｇ）を受光するエレメントに発生した信号を前記赤（Ｒ）の色信号から予め設定された係数に基づく比率で減算処理することにより新たな赤信号（Ｒ′）の色信号を形成し、この新たな赤（Ｒ′）の色信号を色混合処理における赤の色信号として適用することで色再現を行うことを特徴とする固体撮像システム。
（１６）上記（７）に記載のカラーセンサーを用いて、ＲＧＢ表色系における各色の刺激値に対応するそれぞれの色信号を発生する受光エレメントにより撮像し、前記青（Ｂ）と緑（Ｇ）の中間色の分光領域（ＢＧ）に対する分光感度を有する他の受光エレメントを有し、該他の受光エレメントに発生した信号を前記赤（Ｒ）の色信号から予め設定された係数に基づく比率で減算処理することにより新たな赤信号（Ｒ′）の色信号を形成し、この新たな赤（Ｒ′）の色信号を色混合処理における赤の色信号として適用することで色再現を行うことを特徴とする固体撮像システム。
（１７）更に、緑（Ｇ）を受光するエレメントに発生した信号を青（Ｂ）の色信号から予め設定された係数に基づく比率で減算処理することにより新たな青信号（Ｂ′）の色信号を形成し、この新たな青（Ｂ′）の色信号を色混合処理における青の色信号として適用することで色再現を行うことを特徴とする上記（１５）又は（１６）に記載の固体撮像システム。
（１８）更に、青（Ｂ）を受光するエレメントに発生した信号を緑（Ｇ）の色信号から予め設定された係数に基づく比率で減算処理することにより新たな緑信号（Ｇ′）の色信号を形成し、この新たな緑（Ｇ′）の色信号を色混合処理における緑の色信号として適用することで色再現を行うことを特徴とする上記（１５）〜（１７）のいずれかに記載の固体撮像システム。
本発明のカラーセンサーの特徴は、センサーの構成として積層構造を採った上で、（１）ＲＧＢ表色系において、人間の視覚が赤と感じる刺激信号の分光領域中に青に対する正の刺激が含まれることに鑑みて、カラーセンサー中の赤（Ｒ）の色信号を発生する受光エレメントに、青色（Ｂ）を受光するエレメントに発生した信号を正感度成分として加味する手段を有することであり、これにより理想に近い色信号を形成させたことである。
本発明のカラーセンサーは、赤光用の感光性分子膜中に青光用色素を混合する上記（１）に加えて、さらに（２）青（Ｂ）と緑（Ｇ）の中間色の分光領域（ＢＧ）に対する分光感度を有する第４の受光エレメントを設けて、第４の受光エレメントに発生した信号を前記赤（Ｒ）の色信号から予め設定された係数に基づく比率で減算処理することにより新たな赤（Ｒ′）の色信号を形成する手段を有することが好ましく、これにより一層理想に近い赤の色信号を形成させたことができる。
さらに、ＲＧＢ表色系が有する青及び緑の色刺激信号のそれぞれが含む主分光領域外の副次的負の分光刺激を演算処理して発現させ、それによって色再現特性を一層向上させることができる。
すなわち、本発明は、赤感光性受光エレメントに青の感光成分を加えること、加えて好ましくは青緑光領域の赤刺激の負感度を補償する第４の受光エレメントを設けること、さらには赤，青，緑光それぞれの受光エレメントが発生する色にＲＧＢ表色系の負の分光刺激を加味する演算処理を施すことによって、カラーセンサーが撮像した画像を、視覚に相当する理想的分光特性の等色関数とも言えるＲＧＢ表色系の分光組成に近づけて、再生画像の色再現性を向上させたものである。
これらによって高感度、高解像性、視感度に近い色再現性を得ることができて発明の目的を満たすことができる。
また、各受光エレメントが発生する色光信号を検出して転送する読み出し・転送回路をSi基板上に形成することにより、通常のカラー画像信号の読み出し回路と同じように画像電気信号を使うことが出来る。
本発明では、赤の信号を発生する受光エレメントに青色に対する正の分光感度を加味させ、好ましくは青と緑の中間の分光領域（ＢＧ）に分光感度を有する第４の受光エレメントを設けて、赤の信号からこの受光エレメントに発生するＢＧ信号を減算処理し、さらに好ましくは、各受光エレメントから負の分光感度領域に対する色信号との加減算処理を行っているので、その結果、従来に較べて色再現領域を拡大することができ、人の感性に類似した感色性を有する色信号で輝度信号又は色差信号を形成して画像を再生することが可能となり、鮮明な映像を表現することができる。
本発明の積層構造のカラーセンサーの受光エレメントは赤、緑、青の各色光のいずれかに感光して光電変換して対応するそれぞれの色信号を発生することができる感光・光電変換系であれば、いずれでも用いることができる。好ましい感光・光電変換系は、有機薄膜系、有機・無機ハイブリッド系および無機粒子・薄膜系である。中でも好ましい感光・光電変換系の受光エレメントは、有機薄膜系からなる受光エレメントであり、有機薄膜系の中でも感光性でかつ光電変換性の有機色素分子膜を有する系である。
したがって、以下の本発明の積層構造のカラーセンサーの説明は、有機薄膜系とくに有機色素分子膜を感光層とするカラーセンサーを例にして進めるが、本発明は、これに限定されるものではない。
はじめに、本発明の積層構造のカラーセンサーの基本原理を説明する。
本発明のカラーセンサーは、感光性分子膜およびドナー性分子膜（又はアクセプタ性分子膜）との積層構造を有する積層膜と、前記感光性分子膜中の感光性分子で光励起されたキャリアの前記感光性分子膜およびドナー性分子膜（又はアクセプタ性分子膜）間での遷移に基づく電荷移動を検出して電気信号に変換する手段とを備えた単位画素がマトリックス状に配置されてなる積層型カラーセンサーである。このカラーセンサーの構成を図によって説明する。
図１は本発明のカラーセンサーの一例を示す部分断面図である。本発明のカラーセンサーは、例えば基板１１上に電極１２、光電変換膜１３Ａ（アクセプタ性分子膜と感光性分子膜を含む）、透明電極１４、絶縁膜１５、透明電極１４，光電変換膜１３Ｂ、透明電極１４，絶縁膜１５、透明電極１４、光電変換膜１３Ｃ、透明電極１４を順次形成することによって作成される。光電変換膜はそれぞれの感光領域に感度を有していて受光することによってＡ、Ｂなどの色信号を発生する受光エレメントを構成している。
図２は、本発明のカラーセンサーの受光エレメントの動作原理を説明するための光量子の受容・電子励起・電子移動過程の概念図である。以下、図２を用いて、感光性分子膜とアクセプタ性分子膜を含む光電変換膜の構成の受光エレメントを持つカラーセンサーの場合の受光エレメントの動作原理を説明する（図１では、Ａ，Ｂ、Ｃと添え字を付した光電変換膜の３組の受光エレメントを示したが、図２ではその一組について説明する）。感光性分子膜５と、アクセプタ性分子膜４とを有するカラーセンサーの構成にした場合、図２のエネルギー順位で示すように画素中の感光性分子膜５に光が照射されると、感光性分子が光励起されて感光性分子膜５中に電子正孔対（キャリア対）を生じさせることができる。この時、励起された電子はアクセプタ性分子膜４に遷移する。その結果電極に接続された外部回路（図示せず）では電荷分離に基づく電流を観測することができる。
また、カラーセンサーの受光エレメントの構成が感光性分子膜とドナー性分子膜とを有する場合は、画素中の感光性分子に光を照射することによって、正孔はドナー性分子に遷移し、その結果、電極に接続された外部回路（図示せず）では電荷分離に基づく電流を観測することができる。
感光性分子膜は、通常複数層が積層され、各感光性層はそれぞれ異なる感光領域を有していて異なる分光組成の色光に感光して分子膜に励起した電子を与え、又は励起した正孔を受容する。したがって、感光領域の異なる３組の感光性分子膜・アクセプタ性分子膜・絶縁膜の積層ユニット（受光エレメント）によって赤、緑及び青の３原色光を受容する。
次ぎに、本発明が目標としているカラーセンサーが記録したカラー画像の分光組成を人間の視感度の分光分布に一致又は近似させる原理の説明を行う。
図３は、ＣＩＥ１９３１・ＲＧＢ表色系の等色関数であって、したがって人間の平均的視覚に対応する３原色光の刺激値の分光組成を示す図でもあり、本発明が目指す理想的な再現色の分光組成である。人間の目のこの理想的視感度分布は、約400nm〜460nmの波長範囲に赤刺激の副次的な正感度成分が存在し、約460nm〜530nmの波長範囲で赤の負感度が存在し（βの部分）、約400nm〜460nm及び640nm〜680nmの波長範囲で緑の負感度が存在し（αとδの部分）、約530nm〜620nmの波長範囲で青の負感度が存在する（γの部分）。
一方、図４には通常用いられる赤、青、緑の受光エレメントの典型的分光感度分布を示す。図３と図４の差異がカラーセンサーが物理化学的に受け取る色と人間の視覚が感覚的に受け取る色との差異ということができる。
カラーセンサーに通常用いられる赤、青、緑の受光エレメントは、図４に例示した、それぞれの感光エレメントの感光波長光を受容しており、図３に示した人間の視感度分布（正確にはＣＩＥのＲＧＢ表色系）とは異なっており、図３の視感度特性が有する上記の副次的負感度や青感度を検出することができない。これらの相違を補償する仕組みを設けてカラーセンサーが受光する色をＲＧＢ表色系の等色混合した色に一致又は近づけたことが本発明の要諦である。それには以下の手段が用いられる。
(１) 約400nm〜460nmの波長範囲の赤刺激の副次的な正感度の補償
赤光を受容する受光エレメントに青光を受容する受光成分を加える。
(２) 約460nm〜530nmの波長範囲の赤の負感度（βの部分）の補償
赤光を受容する受光エレメントの色光信号の分光特性を補償する約460nm〜530nmに感光する第４の受光エレメントを付加する。
(３) 各受光エレメントの分光感光特性の上記以外の負の分光領域の補償
各受光エレメントが発生する信号から、負の分光特性領域に感光性を有する受光エレメントが発生する信号を設定された比率で減算処理する。
上記（２）については、具体的には、青（Ｂ）と緑（Ｇ）の中間色の分光領域（ＢＧ）に対する分光感度を有する受光エレメントを設けてそのエレメントに発生した信号を前記赤（Ｒ）の色信号から予め設定された係数に基づく比率で減算処理することにより新たな赤信号（Ｒ′）の色信号を形成してこれを色再現に用いる。
上記（３）については、具体的には、赤（Ｒ）の信号を発生する受光エレメントに青色（Ｂ）を受光するエレメントに発生した信号を正感度成分として予め設定された係数に基づく比率で加味する演算処理を行う、及び／又は緑（Ｇ）を受光するエレメントに発生した信号を青（Ｂ）の色信号から予め設定された係数に基づく比率で減算処理して新たな青信号（Ｂ′）の色信号を形成し、この新たな青（Ｂ′）の色信号を色混合処理における青の色信号とする、及び／又は緑（Ｇ）の色信号から予め設定された係数に基づく比率で減算処理することにより新たな緑信号（Ｇ′）の色信号を形成し、この新たな緑（Ｇ′）の色信号を色混合処理における緑の色信号とする、などによって得られた色信号によって色再現を行う。
上記（１）及び好ましくはこれに上記（２）を、より好ましくはさらに上記（３）をも組み合せることによって図３に示した人間の視感度分布に対応した青の分光特性（点線FBで示す）と、緑の分光特性（破線FGで示す）と、赤の分光特性（実線FRで示す）とを再現するカラーセンサーを構築することができる。
更なる詳細を以下の具体的実施態様によって説明する。
＜実施態様１＞
図５は、本発明の第一の実施態様を示す積層型カラーセンサーの受光部の構成を示す断面模式図である。図５において、カラーセンサーはｐ−型Ｓｉ基板１０上に絶縁膜３１、アクセプタ性分子膜４１、緑感光性分子膜Ｇからなる第１の受光エレメント６１、第１の透明電極Ｖｂ１，絶縁膜３２、アクセプタ性分子膜４２、青感光性分子膜Ｂからなる第２の受光エレメント６２、第２の透明電極Ｖｂ２，絶縁膜３３、アクセプタ性分子膜４３、赤感光性分子膜Ｒ＋Ｂからなる第３の受光エレメント６３、第３の透明電極Ｖｂ３と透明絶縁膜５が積層された構成を取っている。第１の受光エレメント６１、第２の受光エレメント６２及び第３の受光エレメント６３は、それぞれ対象となる各色の光情報を受光するが、各感光性分子膜Ｇ，Ｂ，Ｒ＋Ｂが受光することによって励起されて光電子を発生し、各アクセプター性分子膜４１，４２，４３がこれを受容する。それぞれが受容したそれぞれの色の光信号は、第１、第２及び第３各透明電極Ｖｂ１、Ｖｂ２及びＶｂ３と転送電極７１，７２及び７３とによって読み出され、電気信号として画像再現系に転送される。その詳細は後述する。
ここで従来のカラーセンサーは、第１の受光エレメント６１、第２の受光エレメント６２及び第３の受光エレメント６３は、それぞれ図４に示した分光感度特性を有していて対象となる各色の光情報を受光するが、本発明のカラーセンサーでは、赤感光性分子膜Ｒ＋Ｂからなる第３の受光エレメント６３が赤感光性分子に青感光性分子が添加されていて赤の光信号のほかに青の光信号をも受光する構成となっている。このように構成すれば、図３に示したＲＧＢ表色系の赤主体の刺激値成分が有する青光領域の正感度（４００〜４５０ｎｍの領域）が加えられるので、図４に示した分光組成に対する補正が行われることになる。したがって、赤の感度の光情報がＲＧＢ表色系すなわち人間の視覚に近づく方向に補正が加えられる。
＜実施態様２＞
つぎに、本発明の第２の実施態様について図６と図７を用いて説明する。図６は、第２の実施態様のカラーセンサーの受光部の構成を示す断面模式図であり、図５と同じ部分には同じ部材番号を用いて示してある。図６のカラーセンサーは、新たに緑光と青光を受光する感光性分子膜ＧＢとこれに組合される絶縁膜３４とアクセプタ性分子膜４４とによって第４の受光エレメント６４が設けられたこと以外は図５の第１の実施態様と同じであり、したがって赤感光性分子膜Ｒ＋Ｂからなる受光エレメント６３が赤感光性分子に青感光性分子の添加によって青感度が補正されていることは前記したとおりである。第２の実施態様では、それに加えて第４の受光エレメント６４が設けられている。
図７に第２の実施態様のカラーセンサーの各受光エレメントの分光感度分布を示す。図７においてＲ、Ｇ、Ｂで示した分光感度分布曲線は、図４に示した第１の実施態様のカラーセンサーのＲ、Ｇ、Ｂの各受光エレメントの分光感度分布と同じであり、これに受光エレメントＧＢに対応する第４の分光感光曲線（ＧＢと表示）が加わる。図３における赤の色信号が有しているＧＢの分光領域の負感度と図７における第４の受光エレメント６４（ＧＢ）の分光感度領域がほぼ同じ分光波長域にあるので、受光エレメント６３に発生した色信号から受光エレメント６４に発生した色信号を減算処理することにより、長波長領域の赤の成分と、図３中のβに相当する赤の負感度成分（斜線領域）とを有する新たな赤の色信号を形成する。このような減算処理により形成された新たな色信号は、図３に示す理想的な赤の色信号（実線FRの特性を有する）に近似することとなる。
又、上記新たな赤の色信号を形成すると共に、青の受光エレメントに発生した青の色信号から緑，赤の受光エレメントに発生した緑及び赤の色信号を予め設定された係数に基づく比率で減算処理することにより、図３中の青の負感度γを含む新たな青の色信号を形成してもよい。
又、上記新たな赤の色信号を形成すると共に、緑の受光エレメントに発生した緑の色信号から緑，赤の受光エレメントに発生した青及び赤の色信号を予め設定された係数に基づく比率で減算処理することにより、図３中の緑の負感度α，δを含む新たな緑の色信号を形成してもよい。
以上に説明したように、上記の第１の実施態様によるカラーセンサーにあっては、青感度成分を補償した赤及び青、緑の色信号を擬似的に形成することができるので、従来に較べて色再現域を拡大することができる。上記の第２の実施態様によるカラーセンサーにあっては、赤の負感度成分を加味して青（Ｂ）と緑（Ｇ）の中間色の色再現性を向上させることは、この領域に対する人間の目の色分解能が特に優れていることに鑑みて、鮮明な再生画像を提供することに寄与することとなる。
さらに、上記の第１及び第２の実施態様のいずれのカラーセンサーにおいても各受光エレメントの一つに発生した色信号に他の受光エレメントの色信号を設定した係数に基づく減算処理によって、図３に示したＲ、Ｇ及びＢ曲線が有する負感度成分を含む理想に近い赤、青、緑の色信号を擬似的に形成することができるので、従来に較べて色再現域を拡大することができる。
特に、青（Ｂ）と緑（Ｇ）の中間色領域にある赤の負感度成分を加味して色再現性を向上させることは、この領域に対する人間の目の色分解能が特に優れていることから、鮮明な再生画像を提供することに寄与することとなるので、少なくとも赤（Ｒ）についての処理を行うことが本発明の基本である。
本発明に係わる感光性分子膜を構成する感光性分子としては、光電変換性を有する色素類や顔料類、即ち光によって電子が励起されて正孔・電子の対を発生し得る色素・顔料類であれば特に制限なく用いることが可能であるが、好ましくは、、シアニン色素、スチリル色素、ヘミシアニン色素、メロシアニン色素（ゼロメチンメロシアニン（シンプルメロシアニン）を含む）、３核メロシアニン色素、４核メロシアニン色素、ロダシアニン色素、コンプレックスシアニン色素、コンプレックスメロシアニン色素、アロポーラー色素、オキソノール色素、ヘミオキソノール色素、スクアリウム色素、クロコニウム色素、アザメチン色素、クマリン色素、アリーリデン色素、アントラキノン色素、トリフェニルメタン色素、アゾ色素、アゾメチン色素、スピロ化合物、メタロセン色素、フルオレノン色素、フルギド色素、ペリレン色素、フェナジン色素、フェノチアジン色素、キノン色素、インジゴ色素、ジフェニルメタン色素、ポリエン色素、アクリジン色素、アクリジノン色素、ジフェニルアミン色素、キナクリドン色素、キノフタロン色素、フェノキサジン色素、フタロペリレン色素、ポルフィリン色素、クロロフィル色素、フタロシアニン色素、金属錯体色素が挙げられる。
中でも、フタロシアニン、金属フタロシアニン錯体、ポルフィリン、金属ポルフィリン錯体、ペリレン、ピレン、メロシアニン色素、ローダミン色素等のように光吸収率の高い色素骨格を有するものが望ましい。
本発明に係わるアクセプター性分子膜を構成するアクセプター分子としては、感光性分子膜の電子輸送し得るものであれば特に制限されず、例えばテトラシアノキノジメタン、ベンゾキノン、ナフトキノン、アントラキノン、ジニトロベンゼン、トリニトロベンゼン、トリシアノベンゼン、ヘキサシアノベンゼン、トリニトロフルバレノン、クロロベンゾキノン、ジクロロベンゾキノン、トリクロロベンゾキノン、ジクロロジシアノベンゾキノン、シアノベンゾキノン、ジシアノベンゾキノン、トリシアノベンゾキノン、Ｎ，Ｎ'−ジシアノキノンジイミン、Ｎ，Ｎ'−ジスルホニルキノンジイミン、Ｎ−カルボニル−Ｎ'−シアノキノンジイミン、Ｎ−カルボニル−Ｎ'−スルホニルキノンジイミン、Ｎ−スルホニル−Ｎ'−シアノキノンジイミン、Ｎ−スルホニル−キノンイミン、Ｎ−シアノ−キノンイミン、ジチエニレン銅錯体等の骨格を有する有機分子を用いることができる。
本発明に係わるドナー性分子膜を構成するドナー分子としては、感光性分子膜の正孔を輸送し得るものであれば特に制限されず、例えばパラフェニレンジアミン、オルトフェニレンジアミン、メタフェニレンジアミン、テトラチアフルバレン、ジセレナジチアフルバレン、テトラセレナフルバレン、テトラセレノテトラセン、キノリン、アクリジン、フェロセン、ベンジジン、ジアミノピレン、ポリジアセチレン、ハイドロキノン、ジメトキシベンゼン、ジアゾベンゼン、フェノチアジンなどの骨格を有する有機分子を用いることができる。
上記の有機色素薄膜（感光層用、ドナー層用及びアクセプター層など）に用いられる有機色素化合物類には、さらに以下の文献を参照することができる。すなわち、エフ・エム・ハーマー(F.M.Harmer)著「ヘテロサイクリック・コンパウンズーシアニンダイズ・アンド・リレィティド・コンパウンズ(Heterocyclic Compounds-Cyanine Dyes and Related Compounds)」、ジョン・ウィリー・アンド・サンズ(John Wiley & Sons)社ーニューヨーク、ロンドン、１９６４年刊、デー・エム・スターマー(D.M.Sturmer)著「ヘテロサイクリック・コンパウンズースペシャル・トピックス・イン・ヘテロサイクリック・ケミストリー(Heterocyclic Compounds-Special topics in heterocyclic chemistry)」、第１８章、第１４節、第４８２から５１５頁、ジョン・ウィリー・アンド・サンズ(John Wiley & Sons) 社−ニューヨーク、ロンドン、１９７７年刊、「ロッズ・ケミストリー・オブ・カーボン・コンパウンズ(Rodd's Chemistry of Carbon Compounds)」2nd.Ed.vol.IV,partB,１９７７刊、第１５章、第３６９から４２２頁、エルセビア・サイエンス・パブリック・カンパニー・インク(Elsevier Science Publishing Company Inc.)社刊、ニューヨーク、などに記載されている。
さらに説明を加えると、リサーチ・ディスクロージャ（ＲＤ）１７６４３の２３〜２４頁、ＲＤ１８７１６の６４８頁右欄〜６４９頁右欄、ＲＤ３０８１１９の９９６頁右欄〜９９８頁右欄、欧州特許第０５６５０９６Ａ１号の第６５頁７〜１０行、に記載されているものを好ましく用いることができる。また、米国特許第５，７４７，２３６号（特に第３０〜３９頁）、米国特許第５，９９４，０５１号（特に第３２〜４３頁）、米国特許第５、３４０、６９４号（特に第２１〜５８頁、但し、（ＸＩ）、（ＸII）、（ＸIII）に示されている色素において、n12、n15、n17、n18の数は限定せず、０以上の整数（好ましくは４以下）とする。）に記載されている、一般式及び具体例で示された部分構造、又は構造を持つ色素も好ましく用いることができる。
これらの有機化合物層は、乾式成膜法あるいは湿式成膜法により成膜してもよい。乾式成膜法の具体的な例としては、真空蒸着法、イオンプレーティング法，ＭＢＥ法等の物理気相成長法あるいはプラズマ重合等のＣＶＤ法が挙げられる。湿式成膜法としては、キャスト法、スピンコート法、ディッピング法、ＬＢ法等が用いられる。
均質な透明電極としては、酸化錫（ＳｎＯ2）、酸化チタン（ＴｉＯ2）、酸化インジウム（ＩｎＯ2）、酸化インジウム−錫（ＩＴＯ）薄膜を用いてもよい。その形成方法としては、レーザアブレ-ジョン法，スパッタ法などで形成できる。
最上層に反射防止膜を設けることにより光のロスを低減できる。550ｎｍ近傍の波長に対してλ/4ｎの膜厚を有する透明絶縁膜（ｎ：膜の屈折率）であることが好ましい。
絶縁層は、公知の任意の絶縁性材料を用いることが出きるが、SiＯ2などの絶縁性膜や画像記録材料に結合材として一般的に用いられている有機高分子材料が好ましく、例えばアクリル系、メタクリル系、ビニール系などの高分子材料が好ましく、とくにイソブチルメタクリレートなどのポリメタクリレート材料が絶縁性、塗設性ともに優れている。
＜信号読み出し方式＞
次ぎに本発明のカラーセンサーにおいて受光エレメントが光電変換して取り入れた画像の電気信号の信号読み出し・転送方式について述べる。
有機受光素子の信号取り出しは、通常のシリコンの受光素子からの信号取り出しに準じた手法で行うことができる。たとえば、一定量のバイアス電荷を蓄積ダイオードに注入して（リフレッシュモード）おき、一定の電荷を蓄積（光電変換モード）後、信号電荷を読み出すことがあげられる。有機受光素子そのものを蓄積ダイオードとして用いることもできるし、別途、蓄積ダイオードを付設することもできる。信号電荷の読み出しには、下記のＣＣＤやＣＭＯＳセンサの読み出し手法を適用することができる。撮像素子においては、光電変換機能を有した受光素子と、変換された信号の蓄積機能、蓄積された信号の読み出し機能や、画素位置の選択機能などを有する。受光部で光／電気変換された信号電荷もしくは信号電流は、受光部そのものもしくは付設されたキャパシタで蓄えられる。蓄えられた電荷は、いわゆる電荷結合素子（ＣＣＤ）や、Ｘ−Ｙアドレス方式を用いたＭＯＳ型撮像素子（いわゆるＣＭＯＳセンサ）の手法により、画素位置の選択とともに読み出される。
ＣＣＤを適用した転送読み出し方式として、画素の電荷信号を転送スイッチにより、アナログシフトレジスタに転送する電荷転送部を有しており、レジスタの動作で信号を出力端に準じ読み出す方法が挙げられる。ラインアドレス（ｌｉｎｅａｄｄｒｅｓｓ）型、フレーム転送（ｆｒａｍｅ ｔｒａｎｓｆｅｒ）型やインターライン転送（ｉｎｔｅｒｌｉｎｅ ｔｒａｎｓｆｅｒ）型、フレームインターライン転送（ｆｒａｍｅ ｉｎｔｅｒｌｉｎｅｔｒａｎｓｆｅｒ）型方式などが挙げられる。また、ＣＣＤには２相構造３相構造や４相構造、さらには埋め込みチャンネル構造などが知られるが、特にこだわらず任意の構造を適用できる。
他には、アドレス選択方式として、１画素づつ順次マルチプレクサスイッチとデジタルシフトレジスタで選択し、共通の出力線に信号電圧（または電荷）として読み出す方式が挙げられる。２次元にアレイ化されたＸ−Ｙアドレス操作の撮像素子がＣＭＯＳセンサとして知られる。これは、Ｘ−Ｙの交点に接続された画素に儲けられたスイッチは垂直シフトレジスタに接続され、垂直操走査シフトレジスタからの電圧でスイッチがオンすると同じ行に儲けられた画素から読み出された信号は、列方向の出力線に読み出される。この信号は水平走査シフトレジスタにより駆動されるスイッチを棟して順番に出力端から読み出される。出力信号の読み出しには、フローティングディフュージョン検出器や、フローティングゲート検出器を用いることができる。また画素部分に信号増幅回路を設けることや、相関二重サンプリング（Ｃｏｒｒｅｌａｔｅｄ Ｄｏｕｂｌｅ Ｓａｍｐｌｉｎｇ）の手法などにより、Ｓ／Ｎの向上をはかることができる。信号処理には、ＡＤＣ回路によるガンマ補正、ＡＤ変換機によるデジタル化、輝度信号処理や、色信号信号処理を施すことができる。色信号処理としては、ホワイトバランス処理や、色分離処理、カラーマトリックス処理などが挙げられる。ＮＴＳＣ信号に用いる際は、ＲＧＢ信号をＹＩＱ信号の変換処理を施すことができる。
本発明のカラーセンサーは、下記実施例では、積層化する前の単体の素子を示すが、積層素子を高密度にアレイ化した光電変換素子アレイを形成させることもできる。
遮光膜を形成し、混色を避けることがアレイの場合は必要であり、最上面に透明の絶縁膜を形成し、金属を開口を持たせて蒸着することにより、遮光膜を形成できる。
また、マイクロレンズアレイを受光素子の上部に形成することにより、更に集光効率を向上させることが出来る。
赤感光性分子膜に青感光性の分子を混合する場合の、青感光性の分子の量は、赤感光性分子の２〜３０モル％、好ましくは５〜２０モル％である。
また、赤感光性分子膜に青感光性の分子を混合する代わりに、赤感光性分子膜と青感光性分子膜とを重ねてＲ＋Ｂ感光性分子膜群を用いてもよい。
また、紫外線及び赤外線カットフイルターを設けるのが好ましい。
Ｓｉの上層に形成した絶縁膜中に光吸収されない光を遮光する膜を設けるのが好ましい。或いは最下層の電極を不透明な金属としてもよい。
以下に本発明の具体的実施例を示すが、本発明は本実施例に限定されるものではない。
図５に示した実施態様１のカラーセンサーの動作を確認するため、Siの転送回路上に、光電変換膜として有機半導体を用い、絶縁膜、透明導電膜，有機半導体，透明導電膜を4層構成して、受光エレメントを作製した。
赤（Ｒ）、青（Ｂ）、緑（Ｇ）それぞれの分光特性を有する受光エレメントを組み合わせて、それぞれにＣＩＥのＤ５０光（標準屋内昼光）で撮像（光照射）し、光電変換によってそれぞれの各色信号を発生させ、アクセプター性分子膜にストアさせた。赤（Ｒ）、青（Ｂ）、緑（Ｇ）の分光特性は、前述の感光性分子から適宜選択することによって得た。
ここで、赤（Ｒ）の受光エレメントの感光性分子膜に対しては、青（Ｂ）に感度を有する色素を混合した（試料１）。
さらに図６に示した実施態様２のカラーセンサーの動作を確認するため、赤（Ｒ）、青（Ｂ）、青緑（GB）、緑（Ｇ）の分光特性を有する受光エレメントを組み合わせて試料２を構成し、同様に、それぞれにＣＩＥのＤ５０光（標準屋内昼光）で撮像（光照射）し、光電変換によってそれぞれの各色信号を発生させ、アクセプター性分子膜にストアさせた。転送回路，読出し等の電気回路は特開2003-298102 ，特開昭58-103165の記載にしたがって構築した。
画像形成には，各信号の増幅率を変え演算することにより補正を行う。GBで受光量を所定の倍率をかけたものを赤の信号に対しては減算し、緑の信号に対しては加算する。青色で感じた信号は，所定の倍率をかけ、緑色の感度に対して減算する。緑色で感じた信号は青色の信号に対して所定の倍率で減算する。青色の信号は所定倍率を掛け赤色の信号に加算する。この演算処理は、特許第287259号の記載に準じて行なった。
他の色の画像形成においても，各信号の増幅率を変え演算することにより補正を行う。 緑色で受光量を所定の倍率をかけたものに対し赤の信号に対しては減算し、緑の信号に対しては加算する。青色で感じた信号は，所定の倍率をかけ、緑色の感度に対して減算する。緑色で感じた信号は青色の信号に対して所定の倍率で減算する。青色の信号は所定倍率を掛け赤色の信号に加算する。この演算処理も特許第287259号の記載に準じて行なった。
赤色のエレメントに青色の感光性物質を添加して光電変換する場合は、青色の加味が自動的に行われ、赤色に対する青色加味の信号処理が不要となる。
本発明のカラーセンサーの一例を示す部分断面図である。 本発明のカラーセンサーの受光エレメントの光量子の受容・電子励起・電子移動過程の概念図である。 ＣＩＥ１９３１・ＲＧＢ表色系の等色関数である。 赤、青、緑の受光エレメントの典型的分光感度分布を示す。 本発明の第一の実施態様を示す積層型カラーセンサーの受光部の構成を示す断面模式図である。 第２の実施態様のカラーセンサーの受光部の構成を示す断面模式図である。 第２の実施態様のカラーセンサーの各受光エレメントの分光感度分布を示す。 本発明の撮像素子のＳｉ転送回路の一例である。
符号の説明
１０．ｐ−型Ｓｉ基板
１１．基板
１２．電極
１３Ａ、１３Ｂ、１３Ｃ．光電変換膜
１４．透明電極
１５．絶縁膜
３１，３２，３３，３４．絶縁膜
４１，４２，４３，４４．透明電極
５．透明絶縁膜
６１，６２，６３，６４．受光エレメント
７１，７２、７３．転送電極
Ｒ，Ｇ，Ｂ，ＧＢ．感光性分子膜
Ｖｂ１，Ｖｂ２，Ｖｂ３，Ｖｂ４．透明電極

Claims (18)

  1. ＲＧＢ表色系における各色の刺激値に対応するそれぞれの色信号を発生する受光エレメントを有し、そのうちの赤（Ｒ）の信号を発生する受光エレメントまたは該エレメントが発生する赤（Ｒ）信号に、青色（Ｂ）の刺激値に対応する信号を正感度成分として加味する手段を有することを特徴とするカラーセンサー。
  2. 前記ＲＧＢの各色の刺激値に対応するそれぞれの色信号を発生する３つの受光エレメントがそれぞれ少なくとも光電変換膜を有し、それぞれの光電変換膜の主要光吸収の極大値が、５８０〜６５０ｎｍ、５３０〜５６０ｎｍ及び４００〜４６０ｎｍにあることを特徴とする請求項１記載のカラーセンサー。
  3. 更に、前記ＲＧＢ表色系における青（Ｂ）と緑（Ｇ）の中間色の分光領域（ＢＧ）に対する分光感度を有する他の受光エレメントを有し、該他の受光エレメントに発生した信号を前記赤（Ｒ）の色信号から予め設定された係数に基づく比率で減算処理することにより新たな赤信号（Ｒ′）の色信号を形成する手段を有することを特徴とする請求項１記載のカラーセンサー。
  4. 前記ＲＧＢの各色の刺激値に対応するそれぞれの色信号を発生する３つの受光エレメント及び青（Ｂ）と緑（Ｇ）の中間色の分光領域（ＢＧ）に対する分光感度を有する他の受光エレメントがそれぞれ少なくとも光電変換膜を有し、それぞれの光電変換膜の主要光吸収の極大値が、５８０〜６５０ｎｍ、５３０〜５６０ｎｍ、４００〜４６０ｎｍ及び４８０〜５３０ｎｍにあることを特徴とする請求項３記載のカラーセンサー。
  5. 前記赤（Ｒ）の信号を発生する受光エレメントが、４００〜４６０ｎｍに主要光吸収の極大値がある物質を含むことを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載のカラーセンサー。
  6. 上記複数の受光エレメントが、Ｓｉ基板上に有機半導体を含む積層膜として構成されていることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載のカラーセンサー。
  7. 受光面側の最上層に、前記青色の信号を正感度成分として加味する手段として、赤色の信号を発生する受光エレメントに、赤色の感度を有する材料以外に青色の感度を有する材料を配置することを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載のカラーセンサー。
  8. 前記青色の感度を有する材料が有機色素であることを特徴とする請求項７記載のカラーセンサー。
  9. 前記青色の感度を有する材料が半導体超微粒子であることを特徴とする請求項７記載のカラーセンサー。
  10. 請求項１記載のカラーセンサーを用いて、ＲＧＢ表色系における各色の刺激値に対応するそれぞれの色信号を発生する受光エレメントにより撮像し、赤（Ｒ）の信号を発生する受光エレメントに発生した信号に、青色（Ｂ）を受光するエレメントに発生した信号を正感度成分として加味する演算処理を行うことによって色再現を行うことを特徴とする固体撮像システム。
  11. 更に、緑（Ｇ）を受光するエレメントに発生した信号を前記赤（Ｒ）の色信号から予め設定された係数に基づく比率で減算処理することにより新たな赤信号（Ｒ′）の色信号を形成し、この新たな赤（Ｒ′）の色信号を色混合処理における赤の色信号として適用することで色再現を行うことを特徴とする請求項１０記載の固体撮像システム。
  12. 請求項３記載のカラーセンサーを用いて、ＲＧＢ表色系における各色の刺激値に対応するそれぞれの色信号を発生する受光エレメントにより撮像し、赤（Ｒ）の信号を発生する受光エレメントに発生した信号に、青色（Ｂ）を受光するエレメントに発生した信号を正感度成分として加味する演算処理を行うとともに、前記青（Ｂ）と緑（Ｇ）の中間色の分光領域（ＢＧ）に対する分光感度を有する他の受光エレメントに発生した信号を前記赤（Ｒ）の色信号から予め設定された係数に基づく比率で減算処理することにより新たな赤信号（Ｒ′）の色信号を形成し、この新たな赤（Ｒ′）の色信号を色混合処理における赤の色信号として適用することで色再現を行うことを特徴とする固体撮像システム。
  13. 更に、緑（Ｇ）を受光するエレメントに発生した信号を青（Ｂ）の色信号から予め設定された係数に基づく比率で減算処理することにより新たな青信号（Ｂ′）の色信号を形成し、この新たな青（Ｂ′）の色信号を色混合処理における青の色信号として適用することで色再現を行うことを特徴とする請求項１０〜１２のいずれかに記載の固体撮像システム。
  14. 更に、青（Ｂ）を受光するエレメントに発生した信号を緑（Ｇ）の色信号から予め設定された係数に基づく比率で減算処理することにより新たな緑信号（Ｇ′）の色信号を形成し、この新たな緑（Ｇ′）の色信号を色混合処理における緑の色信号として適用することで色再現を行うことを特徴とする請求項１０〜１３のいずれかに記載の固体撮像システム。
  15. 請求項７記載のカラーセンサーを用いて、ＲＧＢ表色系における各色の刺激値に対応するそれぞれの色信号を発生する受光エレメントにより撮像し、緑（Ｇ）を受光するエレメントに発生した信号を前記赤（Ｒ）の色信号から予め設定された係数に基づく比率で減算処理することにより新たな赤信号（Ｒ′）の色信号を形成し、この新たな赤（Ｒ′）の色信号を色混合処理における赤の色信号として適用することで色再現を行うことを特徴とする固体撮像システム。
  16. 請求項７記載のカラーセンサーを用いて、ＲＧＢ表色系における各色の刺激値に対応するそれぞれの色信号を発生する受光エレメントにより撮像し、前記青（Ｂ）と緑（Ｇ）の中間色の分光領域（ＢＧ）に対する分光感度を有する他の受光エレメントを有し、該他の受光エレメントに発生した信号を前記赤（Ｒ）の色信号から予め設定された係数に基づく比率で減算処理することにより新たな赤信号（Ｒ′）の色信号を形成し、この新たな赤（Ｒ′）の色信号を色混合処理における赤の色信号として適用することで色再現を行うことを特徴とする固体撮像システム。
  17. 更に、緑（Ｇ）を受光するエレメントに発生した信号を青（Ｂ）の色信号から予め設定された係数に基づく比率で減算処理することにより新たな青信号（Ｂ′）の色信号を形成し、この新たな青（Ｂ′）の色信号を色混合処理における青の色信号として適用することで色再現を行うことを特徴とする請求項１５又は１６に記載の固体撮像システム。
  18. 更に、青（Ｂ）を受光するエレメントに発生した信号を緑（Ｇ）の色信号から予め設定された係数に基づく比率で減算処理することにより新たな緑信号（Ｇ′）の色信号を形成し、この新たな緑（Ｇ′）の色信号を色混合処理における緑の色信号として適用することで色再現を行うことを特徴とする請求項１５〜１７のいずれかに記載の固体撮像システム。
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