KR20190002615A - 고체 촬상 소자 및 촬상 장치 - Google Patents
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Abstract
통상 조도부터 어둠(0럭스)까지 광범위한 조도 환경에서 컬러 화상이 촬영 가능한 고체 촬상 소자 및 촬상 장치를 제공한다.
고체 촬상 소자(1)에 제 1 가시광을 수광하는 제 1 가시광 화소, 제 1 가시광과는 파장이 다른 제 2 가시광을 수광하는 제 2 가시광 화소, 및 제 1 및 제 2 가시광과는 파장이 다른 제 3 가시광을 수광하는 제 3 가시광 화소를 구비하는 가시광 검출 영역(2)과, 제 1 근적외광을 수광하는 제 1 근적외 화소, 제 1 근적외광과는 파장이 다른 제 2 근적외광을 수광하는 제 2 근적외광 화소, 및 제 1 및 제 2 근적외광과는 파장이 다른 제 3 근적외광을 수광하는 제 3 근적외광 화소를 구비하는 근적외 검출 영역(3)을 형성한다.
고체 촬상 소자(1)에 제 1 가시광을 수광하는 제 1 가시광 화소, 제 1 가시광과는 파장이 다른 제 2 가시광을 수광하는 제 2 가시광 화소, 및 제 1 및 제 2 가시광과는 파장이 다른 제 3 가시광을 수광하는 제 3 가시광 화소를 구비하는 가시광 검출 영역(2)과, 제 1 근적외광을 수광하는 제 1 근적외 화소, 제 1 근적외광과는 파장이 다른 제 2 근적외광을 수광하는 제 2 근적외광 화소, 및 제 1 및 제 2 근적외광과는 파장이 다른 제 3 근적외광을 수광하는 제 3 근적외광 화소를 구비하는 근적외 검출 영역(3)을 형성한다.
Description
본 발명은 컬러 화상 촬영용의 고체 촬상 소자 및 이 고체 촬상 소자를 구비하는 촬상 장치에 관한 것이다. 보다 상세하게는, 가시광과 근적외광을 검출하는 고체 촬상 소자 및 촬상 장치에 관한 것이다.
피사체에 반사된 적외선이나 피사체가 방사하는 적외선을 검출하고, 피사체의 컬러 화상을 형성하는 화상 촬영 장치가 제안되어 있다(특허문헌 1 참조). 이 특허문헌 1에 기재된 기술을 이용하면, 극저조도 환경이나 어둠에 있어서도 컬러 화상을 촬상하는 것이 가능해진다.
한편, 특허문헌 1에 기재된 기술을 실현하기 위해서는, 적색광(R), 녹색광(G) 및 청색광(B)에 대응하는 3종의 근적외광(NIR-R, -G, -B)을 검출할 필요가 있다. 종래, 가시 영역의 광과 근적외 영역의 광의 양쪽을 검출 가능한 고체 촬상 소자로서는, 예를 들면 적색광(R), 녹색광(G) 또는 청색광(B)을 검출하기 위한 화소와, 근적외광(NIR)을 검출하기 위한 화소를, 동일 기판 상에 배열한 것이 제안되어 있다(예를 들면, 특허문헌 2∼4 참조).
또한, 적색광(R), 녹색광(G) 또는 청색광(B)과, 그것에 대응하는 3종의 근적외광(NIR-R, -G, -B)을, 각각 동일 화소에서 검출하는 광검출 장치도 제안되어 있다(특허문헌 5, 6 참조). 예를 들면, 특허문헌 5에 기재된 광검출 장치에서는, 적색광(R)과 그것에 대응하는 근적외광(NIR-R)만을 투과하는 광학필터, 녹색광(G)과 그것에 대응하는 근적외광(NIR-G)만을 투과하는 광학필터, 및 청색광(B)과 그것에 대응하는 근적외광(NIR-B)만을 투과하는 광학필터를 구비하는 화소가, 주기적으로 배치되어 있다.
그러나, 상술한 종래의 고체 촬상 소자에는 이하에 나타내는 문제점이 있다. 우선, 특허문헌 2∼4에 기재된 고체 촬상 소자에 있어서의 근적외광 검출용 화소는, 적외선 필터를 형성하지 않고, RGB의 컬러필터만을 형성함으로써 가시광의 입사를 차단하는 구성으로 되어 있기 때문에, 이들 고체 촬상 소자에서는 특정 파장의 근적외광을 선택적으로 검출할 수는 없다. 즉, 특허문헌 2∼4에 기재된 고체 촬상 소자에서는 극저조도 환경이나 어둠에 있어서의 컬러 화상의 촬상은 곤란하다.
한편, 특허문헌 5, 6에 기재된 광검출 장치는, 특허문헌 1에 기재된 기술에의 적용을 상정한 것이지만, 가시 영역에 있어서의 특정 파장과 근적외 영역에 있어서의 특정 파장만을 투과하고, 그 이외의 광을 반사하는 광학필터는 설계가 어렵다. 또한, 이러한 광학필터를 특허문헌 5에 기재되어 있는 바와 같은 고굴절층과 저굴절층을 적층한 구조로 했을 경우, 고정밀도의 막두께 제어가 요구되어 더욱 제조 프로세스도 번잡하게 된다. 이 때문에, 특허문헌 5, 6에 기재된 광검출 장치는 제조 비용이나 제조 프로세스의 면에서 더나은 개량이 요구되고 있다.
그래서, 본 발명은 통상 조도부터 어둠(0럭스)까지 광범위한 조도 환경에서 컬러 화상이 촬영 가능한 고체 촬상 소자 및 촬상 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명에 따른 고체 촬상 소자는, 가시광을 수광하는 가시광 검출 영역과, 근적외광을 수광하는 근적외광 검출 영역을 갖고, 상기 가시광 검출 영역에는 제 1 가시광을 수광하는 제 1 가시광 화소, 상기 제 1 가시광과는 파장이 다른 제 2 가시광을 수광하는 제 2 가시광 화소, 및 상기 제 1 및 제 2 가시광과는 파장이 다른 제 3 가시광을 수광하는 제 3 가시광 화소가 형성되어 있고, 상기 근적외광 검출 영역에는 제 1 근적외광을 수광하는 제 1 근적외 화소, 상기 제 1 근적외광과는 파장이 다른 제 2 근적외광을 수광하는 제 2 근적외광 화소, 및 상기 제 1 및 제 2 근적외광과는 파장이 다른 제 3 근적외광을 수광하는 제 3 근적외광 화소가 형성되어 있다.
또는, 본 발명에 따른 고체 촬상 소자는 제 1 가시광 및 상기 제 1 가시광과 상관 관계에 있는 제 1 근적외광을 수광하는 제 1 화소와, 상기 제 1 가시광과는 파장이 다른 제 2 가시광 및 상기 제 2 가시광과 상관 관계에 있는 제 2 근적외광을 수광하는 제 2 화소와, 상기 제 1 및 제 2 가시광과는 파장이 다른 제 3 가시광 및 상기 제 3 가시광과 상관 관계에 있는 제 3 근적외광을 수광하는 제 3 화소를 갖고, 상기 제 1 화소에는 상기 제 1 가시광 이외의 가시광을 반사 및/또는 흡수하는 광학필터와, 특정 파장역의 근적외광을 반사 또는/흡수하는 광학필터가 적층되어 있고, 상기 제 2 화소에는 상기 제 2 가시광 이외의 가시광을 반사 및/또는 흡수하는 광학필터와, 특정 파장역의 근적외광을 반사 또는/흡수하는 광학필터가 적층되어 있으며, 상기 제 3 화소에는 상기 제 3 가시광 이외의 가시광을 반사 및/또는 흡수하는 광학필터와, 특정 파장역의 근적외광을 반사 및/또는 흡수하는 광학필터가 적층되어 있다.
본 발명에 따른 촬상 장치는 상술한 고체 촬상 소자를 구비하는 것이다.
이 촬상 장치는 상기 고체 촬상 소자에서 취득한 신호를 해석하고, 제 1∼제 3 가시광에 의거한 컬러 화상 및/또는 제 1∼제 3 근적외광에 의거한 컬러 화상을 생성하는 화상 생성부를 갖고 있어도 된다.
(발명의 효과)
본 발명에 의하면, 통상 조도부터 어둠(0럭스)까지 광범위한 조도 환경에서 컬러 화상이 촬영 가능하고, 또한 종래품보다 제조가 용이한 고체 촬상 소자 및 촬상 장치를 실현할 수 있다.
도 1은 본 발명의 제 1 실시형태의 고체 촬상 소자에 있어서의 화소의 배열예를 나타내는 평면도이다.
도 2의 a, b는 본 발명의 제 1 실시형태의 고체 촬상 소자의 화소 부분의 개략 구성을 나타내는 단면도이며, a는 가시광 검출 영역의 화소 구성을 나타내고, b는 근적외광 검출 영역의 화소 구성을 나타낸다.
도 3의 a∼c는 도 2에 나타내는 간섭 필터의 구성예를 나타내는 개략도이며, a는 간섭 필터(31R), b는 간섭 필터(31B), c는 간섭 필터(31G)이다.
도 4는 도 3에 나타내는 구성의 간섭 필터(31R, 31G, 31B)의 특성을 나타내는 도면이다.
도 5의 a∼c는 도 2에 나타내는 간섭 필터의 구성예를 나타내는 개략도이며, a는 간섭 필터(31R), b는 간섭 필터(31B), c는 간섭 필터(31G)이다.
도 6은 도 5에 나타내는 구성의 간섭 필터(31R, 31G, 31B)의 특성을 나타내는 도면이다.
도 7은 본 발명의 제 1 실시형태의 변형예의 고체 촬상 소자의 화소 배치예를 나타내는 평면도이다.
도 8의 a∼c는 본 발명의 제 2 실시형태의 고체 촬상 소자의 화소 부분의 개략 구성을 나타내는 개략도이며, a는 간섭 필터(31R), b는 간섭 필터(31B), c는 간섭 필터(31G)이다.
도 9의 a∼c는 본 발명의 제 2 실시형태의 변형예의 고체 촬상 소자의 화소 부분의 개략 구성을 나타내는 개략도이며, a는 간섭 필터(31R), b는 간섭 필터(31B), c는 간섭 필터(31G)이다.
도 10은 본 발명의 제 3 실시형태의 고체 촬상 소자의 개략 구성을 모식적으로 나타내는 단면도이다.
도 11은 적색 컬러필터(21R)의 분광 투과 특성을 나타내는 도면이다.
도 12는 820㎚ 이상의 근적외광을 커트하는 쇼트 패스 필터의 분광 투과 특성을 나타내는 도면이다.
도 13은 도 11에 나타내는 광학필터와 도 12에 나타내는 광학필터를 적층했을 경우의 분광 특성을 나타내는 도면이다.
도 14는 녹색 컬러필터(21G)의 분광 투과 특성을 나타내는 도면이다.
도 15는 650∼900㎚의 근적외광을 커트하는 광학필터의 분광 투과 특성을 나타내는 도면이다.
도 16은 도 14에 나타내는 광학필터와 도 15에 나타내는 광학필터를 적층했을 경우의 분광 투과 특성을 나타내는 도면이다.
도 17은 청색 컬러필터(21B)의 분광 투과 특성을 나타내는 도면이다.
도 18의 a는 중심파장 750㎚의 밴드 패스 필터의 분광 투과 특성을 나타내는 도면이고, b는 890㎚ 이상의 근적외광을 커트하는 쇼트 패스 필터의 분광 투과 특성을 나타내는 도면이다.
도 19는 도 17에 나타내는 광학필터와 도 18의 a, b에 나타내는 광학필터를 적층했을 경우의 분광 투과 특성을 나타내는 도면이다.
도 20은 도 10에 나타내는 고체 촬상 소자(40)의 분광 투과 특성을 나타내는 도면이다.
도 21의 a는 본 발명의 제 3 실시형태의 고체 촬상 소자의 필터 구성예를 나타내는 모식도이며, b는 그 분광 투과 특성을 나타내는 도면이다.
도 22의 a는 본 발명의 제 3 실시형태의 고체 촬상 소자의 다른 필터 구성예를 나타내는 모식도이며, b는 그 분광 투과 특성을 나타내는 도면이다.
도 23의 a는 본 발명의 제 3 실시형태의 고체 촬상 소자의 다른 필터 구성예를 나타내는 모식도이며, b는 그 분광 투과 특성을 나타내는 도면이다.
도 24의 a는 본 발명의 제 4 실시형태의 고체 촬상 소자의 화소 배치예를 나타내는 평면도이며, b는 a의 각 화소 상에 형성된 광학필터의 분광 특성을 나타내는 도면이다.
도 25는 본 발명의 제 5 실시형태의 촬상 장치의 기본 구성을 나타내는 개념도이다.
도 26은 본 발명의 제 5 실시형태의 변형예의 촬상 장치의 구성을 모식적으로 나타내는 도면이다.
도 27의 a는 가시광 검출용 고체 촬상 소자(6)의 화소 배치예를 나타내는 평면도이며, b는 근적외광 검출용 고체 촬상 소자(40)의 화소 배치예를 나타내는 평면도이다.
도 2의 a, b는 본 발명의 제 1 실시형태의 고체 촬상 소자의 화소 부분의 개략 구성을 나타내는 단면도이며, a는 가시광 검출 영역의 화소 구성을 나타내고, b는 근적외광 검출 영역의 화소 구성을 나타낸다.
도 3의 a∼c는 도 2에 나타내는 간섭 필터의 구성예를 나타내는 개략도이며, a는 간섭 필터(31R), b는 간섭 필터(31B), c는 간섭 필터(31G)이다.
도 4는 도 3에 나타내는 구성의 간섭 필터(31R, 31G, 31B)의 특성을 나타내는 도면이다.
도 5의 a∼c는 도 2에 나타내는 간섭 필터의 구성예를 나타내는 개략도이며, a는 간섭 필터(31R), b는 간섭 필터(31B), c는 간섭 필터(31G)이다.
도 6은 도 5에 나타내는 구성의 간섭 필터(31R, 31G, 31B)의 특성을 나타내는 도면이다.
도 7은 본 발명의 제 1 실시형태의 변형예의 고체 촬상 소자의 화소 배치예를 나타내는 평면도이다.
도 8의 a∼c는 본 발명의 제 2 실시형태의 고체 촬상 소자의 화소 부분의 개략 구성을 나타내는 개략도이며, a는 간섭 필터(31R), b는 간섭 필터(31B), c는 간섭 필터(31G)이다.
도 9의 a∼c는 본 발명의 제 2 실시형태의 변형예의 고체 촬상 소자의 화소 부분의 개략 구성을 나타내는 개략도이며, a는 간섭 필터(31R), b는 간섭 필터(31B), c는 간섭 필터(31G)이다.
도 10은 본 발명의 제 3 실시형태의 고체 촬상 소자의 개략 구성을 모식적으로 나타내는 단면도이다.
도 11은 적색 컬러필터(21R)의 분광 투과 특성을 나타내는 도면이다.
도 12는 820㎚ 이상의 근적외광을 커트하는 쇼트 패스 필터의 분광 투과 특성을 나타내는 도면이다.
도 13은 도 11에 나타내는 광학필터와 도 12에 나타내는 광학필터를 적층했을 경우의 분광 특성을 나타내는 도면이다.
도 14는 녹색 컬러필터(21G)의 분광 투과 특성을 나타내는 도면이다.
도 15는 650∼900㎚의 근적외광을 커트하는 광학필터의 분광 투과 특성을 나타내는 도면이다.
도 16은 도 14에 나타내는 광학필터와 도 15에 나타내는 광학필터를 적층했을 경우의 분광 투과 특성을 나타내는 도면이다.
도 17은 청색 컬러필터(21B)의 분광 투과 특성을 나타내는 도면이다.
도 18의 a는 중심파장 750㎚의 밴드 패스 필터의 분광 투과 특성을 나타내는 도면이고, b는 890㎚ 이상의 근적외광을 커트하는 쇼트 패스 필터의 분광 투과 특성을 나타내는 도면이다.
도 19는 도 17에 나타내는 광학필터와 도 18의 a, b에 나타내는 광학필터를 적층했을 경우의 분광 투과 특성을 나타내는 도면이다.
도 20은 도 10에 나타내는 고체 촬상 소자(40)의 분광 투과 특성을 나타내는 도면이다.
도 21의 a는 본 발명의 제 3 실시형태의 고체 촬상 소자의 필터 구성예를 나타내는 모식도이며, b는 그 분광 투과 특성을 나타내는 도면이다.
도 22의 a는 본 발명의 제 3 실시형태의 고체 촬상 소자의 다른 필터 구성예를 나타내는 모식도이며, b는 그 분광 투과 특성을 나타내는 도면이다.
도 23의 a는 본 발명의 제 3 실시형태의 고체 촬상 소자의 다른 필터 구성예를 나타내는 모식도이며, b는 그 분광 투과 특성을 나타내는 도면이다.
도 24의 a는 본 발명의 제 4 실시형태의 고체 촬상 소자의 화소 배치예를 나타내는 평면도이며, b는 a의 각 화소 상에 형성된 광학필터의 분광 특성을 나타내는 도면이다.
도 25는 본 발명의 제 5 실시형태의 촬상 장치의 기본 구성을 나타내는 개념도이다.
도 26은 본 발명의 제 5 실시형태의 변형예의 촬상 장치의 구성을 모식적으로 나타내는 도면이다.
도 27의 a는 가시광 검출용 고체 촬상 소자(6)의 화소 배치예를 나타내는 평면도이며, b는 근적외광 검출용 고체 촬상 소자(40)의 화소 배치예를 나타내는 평면도이다.
이하, 본 발명을 실시하기 위한 형태에 대해서, 첨부의 도면을 참조하여 상세하게 설명한다. 또한, 본 발명은 이하에 설명하는 실시형태에 한정되는 것은 아니다.
(제 1 실시형태)
우선, 본 발명의 제 1 실시형태에 의한 고체 촬상 소자에 대하여 설명한다. 도 1은 본 실시형태의 고체 촬상 소자에 있어서의 화소의 배열예를 나타내는 평면도이며, 도 2는 화소 부분의 개략 구성을 나타내는 단면도이다. 도 1에 나타내는 바와 같이, 본 실시형태의 고체 촬상 소자(1)는 가시광을 검출하기 위한 가시광 검출 영역(2)과, 근적외광을 검출하기 위한 근적외광 검출 영역(3)을 갖는다.
[가시광 검출 영역(2)]
가시광 검출 영역(2)에는 검출 파장이 다른 3종류의 화소가 형성되어 있다. 가시광 검출 영역(2)에 형성된 3종의 화소를 각각 「제 1 가시광 화소」, 「제 2 가시광 화소」 및 「제 3 가시광 화소」라고 했을 경우, 예를 들면 제 1 가시광 화소로 적색광(R)을 검출하고, 제 2 가시광 화소로 녹색광(G)을 검출하고, 제 3 가시광 화소로 청색광(B)을 검출하는 구성으로 할 수 있다.
그 경우, 가시광 검출 영역(2)의 각 화소는, 도 2a에 나타내는 바와 같이, 입사한 광을 전기신호로서 검출하는 광전변환층(11) 상에, 적색광(R) 이외의 가시광을 반사 및/또는 흡수하는 적색광 필터(21R)와, 녹색광(G) 이외의 가시광을 반사 및/또는 흡수하는 녹색광 필터(21G)과, 청색광(B) 이외의 가시광을 반사 및/또는 흡수하는 청색광 필터(21B)를 형성한 구성으로 하면 좋다.
광전변환층(11)은 입사한 광을 전기신호로서 검출하는 것이며, 규소 등의 기판에 복수의 광전변환부가 형성된 구성으로 되어 있다. 광전변환층(11)의 구조는 특별하게 한정되는 것은 아니고, CCD(Charge Coupled Device)나 CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor) 구조 등을 채용할 수 있다. 그리고, 적색광 필터(21R), 녹색광 필터(21G) 및 청색광 필터(21B)는, 각각 대응하는 광전변환부 상에 형성되어 있다.
또한, 가시광 검출 영역(2)의 각 화소에는 적외광을 반사 및/또는 흡수하는 적외광 차단 필터(22)가 형성되어 있어도 된다. 적외광 차단 필터(22)는 각 화소에 일체로 형성해도 좋지만, 별도 부재로 할 수도 있다. 또한, 가시광 검출 영역(2)의 각 화소에는 온칩 렌즈나 평탄화층 등이 형성되어 있어도 된다.
또한, 광전변환층(11) 상에 형성되는 각 컬러필터의 투과 파장은, 상술한 적색광(R), 녹색광(G) 및 청색광(B)에 한정되는 것은 아니고, 고체 촬상 소자의 사양 등에 따라 적당하게 선택할 수 있다. 또한, 각 컬러필터를 형성하는 재료도 특별하게 한정되는 것은 아니고, 공지의 재료를 사용할 수 있다.
[근적외광 검출 영역(3)]
근적외광 검출 영역(3)에도, 검출 파장이 다른 3종류의 화소가 형성되어 있다. 근적외광 검출 영역(3)에 형성된 3종의 화소를 각각 「제 1 근적외 화소」, 「제 2 근적외 화소」 및 「제 3 근적외 화소」라고 했을 경우, 예를 들면 제 1 근적외 화소로 적색광(R)과 상관 관계에 있는 근적외 영역의 광(이하, 근적외광 NIR-R이라고 함)을 검출하고, 제 2 근적외 화소로 녹색광(G)과 상관 관계에 있는 근적외 영역의 광(이하, 근적외광 NIR-G라고 함)을 검출하고, 제 3 근적외 화소로 청색광(B)과 상관 관계에 있는 근적외 영역의 광(이하, 근적외광 NIR-B라고 함)을 검출하는 구성으로 할 수 있다.
여기에서, 예를 들면 근적외광 NIR-R은 700∼830㎚의 범위에서 임의의 파장의 광이며, 근적외광 NIR-G는 880∼1200㎚의 범위에서 임의의 파장의 광이며, 근적외광 NIR-B는 830∼880㎚의 범위에서 임의의 파장의 광이며, 각각 다른 파장의 광이다.
도 2b에 나타내는 바와 같이, 근적외광 검출 영역(3)의 각 화소는 광전변환층(11) 상에 근적외광 NIR-R을 선택적으로 투과하는 간섭 필터(31R), 근적외광 NIR-G를 선택적으로 투과하는 간섭 필터(31G), 근적외 영역의 광 NIR-B를 선택적으로 투과하는 간섭 필터(31B)를 형성한 구성으로 하면 좋다. 이들 간섭 필터의 특성은 특별히 한정되는 것은 아니지만, 예를 들면 간섭 필터(31R)를 800㎚보다 장파장의 근적외광의 투과율이 50% 이하인 쇼트 패스 필터로 하고, 간섭 필터(31G)를 중심파장이 850㎚의 밴드 패스 필터로 하며, 간섭 필터(31B)를 890㎚보다 단파장의 근적외광의 투과율이 50% 이하인 롱 패스 필터로 할 수 있다.
또한, 간섭 필터(31R, 31G, 31B)의 구성은 특별히 한정되는 것은 아니지만, 예를 들면 굴절률이 다른 2종류의 유전체층을 교대로 형성한 구성으로 할 수 있다. 도 3a∼c는 간섭 필터(31R, 31G, 31B)의 구성예를 나타내는 개략도이며, 도 4는 그 특성을 나타내는 도면이다. 도 3a∼c에 나타내는 바와 같이, 간섭 필터(31R, 31G, 31B)는 광전변환층(11) 상에 유전 재료로 이루어지는 저굴절률층(31L1∼31L4)과, 저굴절률층(31L1∼31L4)보다 굴절률이 높은 유전 재료로 이루어지는 고굴절률층(31H1∼31H5)이 형성되어 있다.
저굴절률층(31L1∼31L4)은, 예를 들면 이산화규소(SiO2) 등으로 형성할 수 있고, 또한 고굴절률층(31H1∼31H5)은, 예를 들면 산화티탄(TiO2), 5산화니오브(Nb2O5), 질화규소(Si3N4) 등으로 형성할 수 있다.
간섭 필터(31R, 31G, 31B)는 저굴절률층(31L1∼31L4) 및 광 입사측 및 광 출사측에 위치하는 고굴절률층(31H1, 31H2, 31H4, 31H5)의 두께는 각 간섭 필터에서 공통되고, 두께 방향 중간위치의 고굴절률층(31H3)의 두께만 서로 다르다. 그리고, 예를 들면 기준파장을 λ0, 저굴절률층을 형성하는 유전 재료의 굴절률을 nL, 고굴절률층을 형성하는 유전 재료의 굴절률을 nH라고 했을 때, 간섭 필터(31R, 31G, 31B)에 있어서의 저굴절률층(31L1∼31L4)의 막두께는 λ0/(4×nL)이며, 고굴절률층(31H1, 31H2, 31H4, 31H5)의 막두께는 λ0/(4×nH)이다.
또한, 중간에 위치하는 고굴절률층(31H3)의 막두께는, 예를 들면 간섭 필터(31R)가 1.74×λ0/(4×nH)이며, 간섭 필터(31B)가 2×λ0/(4×nH)이며, 간섭 필터(31G)가 2.21×λ0/(4×nH)이다. 도 3a∼c에 나타내는 간섭 필터(31R, 31G, 31B)에서는, 두께 방향 중심에 위치하는 고굴절률층(31H3)의 두께를 변화시킴으로써 투과 파장을 변경할 수 있고, 또한 중간층 이외의 층은 각 간섭 필터에서 공통화되어 있기 때문에 제조 프로세스를 간소화할 수 있다.
그리고, 기준파장 λ0을 850㎚로 해서 도 3에 나타내는 구성의 간섭 필터를 형성하면, 도 4에 나타내는 바와 같이, 각각 근적외광 NIR-R, NIRG, NIR-B를 선택적으로 투과하는 간섭 필터(31R, 31G, 31B)가 얻어진다.
도 5a∼c는 간섭 필터(31R, 31G, 31B)의 다른 구성예를 나타내는 개략도이며, 도 6은 그 특성을 나타내는 도면이다. 간섭 필터(31R, 31G, 31B)는, 상술한 도 3a∼c에 나타내는 구성에 한정되는 것은 아니고, 예를 들면 도 5a∼c에 나타내는 바와 같이, 두께 방향 중간에 스페이서로서 저굴절률층(31L0)을 형성하고, 그 두께를 변경함으로써 투과 파장을 변경할 수도 있다.
이 경우, 예를 들면 도 5a에 나타내는 바와 같이, 간섭 필터(31R)는 저굴절률층(31L0)은 형성하지 않고, 중간층으로서 다른 고굴절률층(31H1, 31H3)의 2배의 두께의 고굴절률층(31H2)이 형성되어 있다. 한편, 간섭 필터(31B, 31G)는 고굴절률층(31H2)을 고굴절률층(31H21)과 고굴절률층(31H22)의 2개로 나누고, 그 사이에 저굴절률층(31L0)을 형성하고 있다. 이 때, 간섭 필터(31G)는 간섭 필터(31B)보다 저굴절률층(31L0)의 두께가 두꺼워진다.
도 5a∼c에 나타내는 간섭 필터(31R, 31G, 31B)도, 중간층 이외의 고굴절률층(31H1, 31H3) 및 저굴절률층(31L1, 31L2)은 각 간섭 필터에서 공통으로 되어 있다. 그리고, 도 6에 나타내는 바와 같이, 이 간섭 필터(31R, 31G, 31B)는 도 3a∼c에 나타내는 구성에 비하여 각 필터 사이에서의 특성의 편차를 억제할 수 있다.
또한, 간섭 필터(31R, 31G, 31B)에 있어서의 각 층의 적층수는 특별히 한정되는 것은 아니지만, 고굴절률층이 3층 이상으로 합계 5층 이상 적층되어 있는 것이 바람직하고, 보다 바람직하게는 각 층 5층 이상, 더욱 바람직하게는 각 층 10층 이상이다. 이것에 의해, 각 간섭 필터의 주파수 특성을 급준하게 할 수 있다.
한편, 근적외광 검출 영역(3)의 각 화소에는, 가시광의 영향을 배제하고, 정밀도 좋게 근적외광을 검출하기 위해서, 가시광을 반사 및/또는 흡수하는 가시광 차단 필터(32)가 형성되어 있어도 된다. 가시광 차단 필터(32)는 각 화소에 일체로 형성해도 좋지만, 별도 부재로 할 수도 있다. 또한, 근적외광 검출 영역(3)의 각 화소에는 온칩 렌즈나 평탄화층 등을 형성할 수도 있다.
또한, 근적외광 검출 영역(3)의 각 화소에는, 간섭 필터(31R, 31G, 31B)보다 상층 또는 하층에 적색광 필터(21R), 녹색광 필터(21G), 청색광 필터(21B) 또는 기타의 컬러필터가 형성되어 있어도 된다. 그 경우 적색광 필터(21R), 녹색광 필터(21G) 및 청색광 필터(21B)보다 상층에 간섭 필터(31R, 31G, 31B)를 형성하는 것이 바람직하고, 이것에 의해, 경사 방향으로부터의 광이 다른 화소에 입사하는 것을 억제할 수 있다.
[동작]
이어서, 본 실시형태의 고체 촬상 소자의 동작에 대하여 설명한다. 본 실시형태의 고체 촬상 소자(1)는, 가시광 검출 영역(2)의 각 화소에서 가시광을 검출하고, 근적외광 검출 영역(3)의 각 화소에서 근적외광을 검출한다. 구체적으로는, 도 2a에 나타내는 바와 같이, 가시광 검출 영역(2)의 각 광전변환부에는 그 위에 배치된 컬러필터(21R, 21G, 21B)를 투과한 특정 파장 대역의 가시광(R, G, B)이 입사한다. 그리고, 각 광전변환부로부터는 컬러필터(21R, 21G, 21B)를 투과한 파장 대역의 가시광(R, G, B)의 강도에 대응하는 전기신호가 출력된다. 이것에 의해, 가시광에 유래하는 컬러 화상을 얻을 수 있다.
한편, 도 2b에 나타내는 바와 같이, 근적외광 검출 영역(3)의 각 광전변환부에는, 그 위에 배치된 간섭 필터(31R, 31G, 31B)를 투과한 특정 파장 대역의 근적외광이 입사한다. 그리고, 각 광전변환부에서는 간섭 필터(31R, 31G, 31B)를 투과한 파장 대역의 근적외광(NIR-R, NIR-G, NIR-B)의 강도에 대응하는 전기신호가 출력된다. 여기에서, 근적외광 NIR-R, NIR-G, NIR-B는 적색광(R), 녹색광(G), 청색광(B)과 상관이 있기 때문에, 이것들에 유래하는 신호를 이용함으로써 가시광 검출과 동등한 컬러 화상을 형성할 수 있다.
본 실시형태의 고체 촬상 소자는 가시광 검출 영역(2) 또는 근적외광 검출 영역(3)의 어느 한쪽에서만 검출을 행해도 된다. 예를 들면, 낮동안에는 가시광 검출 영역(2)의 각 화소만을 동작시키거나 또는 가시광 검출 영역(2)의 각 광전변환부로부터의 신호만을 이용하여 가시광을 검출하고, 야간은 근적외광 검출 영역(3)의 각 화소만을 동작시키거나 또는 근적외광 검출 영역(3)의 각 광전변환부로부터의 신호만을 이용하여 근적외광을 검출할 수도 있다.
또는, 상시 가시광 검출 영역(2) 및 근적외광 검출 영역(3)의 양쪽의 화소를 이용하여 검출할 수도 있다. 그 경우, 예를 들면 낮동안에는 근적외광 검출 영역(3)에서 검출한 근적외광 NIR-R, NIR-G, NIR-B의 신호를 이용하여 가시광 검출 영역(2)에서 검출한 적색광(R), 녹색광(G), 청색광(B)의 각 신호를 보정하고, 근적외광 성분의 영향을 제거할 수 있다.
한편, 야간은 가시광 검출 영역(2)에서 검출한 적색광(R), 녹색광(G), 청색광(B)의 각 신호를 이용하여 근적외 검출 영역(3)에서 검출한 근적외광 NIR-R, NIR-G, NIR-B의 신호를 보정하고, 헤드라이트 등의 환경광에 포함되는 가시광 성분의 영향을 제거할 수 있다. 그 결과, 가시광 및 근적외광의 검출 정밀도가 향상하고, 컬러 촬영에 있어서의 색의 재현성을 높일 수 있다.
이상 상세하게 설명한 바와 같이, 본 실시형태의 고체 촬상 소자는 가시광 검출 영역과 근적외광 검출 영역을 형성하고, 각 영역에는 각각 검출 파장이 다른 3종의 화소를 형성하고, 적색광(R), 녹색광(G), 청색광(B)과, 그것들의 광과 상관이 있는 근적외광 NIR-R, NIR-G, NIR-B를 검출하고 있기 때문에, 통상 조도부터 어둠(0럭스)까지 광범위한 조도 환경에서 컬러 화상이 촬영 가능하다.
또한, 본 실시형태의 고체 촬상 소자는 파장마다 다른 화소에서 검출하고 있기 때문에, 각 화소의 설계가 용이하고, 막 구성도 간소화할 수 있기 때문에, 종래품보다 용이하게 제조하는 것이 가능해진다. 또한, 본 실시형태의 고체 촬상 소자의 구성은 이면 조사형 및 표면 조사형의 어느 쪽에도 적용 가능하지만, 반사광의 영향이 적은 이면 조사형이 적합하다.
(제 1 실시형태의 변형예)
이어서, 본 발명의 제 1 실시형태의 변형예에 의한 고체 촬상 소자에 대하여 설명한다. 도 7은 본 변형예의 고체 촬상 소자에 있어서의 각 화소의 배열예를 나타내는 평면도이다. 도 1에 나타내는 고체 촬상 소자(1)에서는, 가시광 검출 영역(2)과 근적외광 검출 영역(3)을 4화소씩 교대로 형성하고 있지만, 본 발명은 이것에 한정되는 것은 아니고, 가시광 검출 영역과 근적외광 검출 영역은 임의의 배치로 형성할 수 있다.
예를 들면, 도 7에 나타내는 제 1변형예의 고체 촬상 소자와 같이, 가시광 수광용의 각 화소를 하나의 영역(가시광 검출 영역(2))에 모아서 형성하고, 근적외광 수광용의 각 화소를 다른 영역(근적외광 검출 영역(3))에 모아서 형성해도 좋다. 이것에 의해, 가시광 차단 필터를 형성할 때의 성막 공정이 용이해진다. 또한, 본 변형예에 있어서의 상기 이외의 구성 및 효과는, 상술한 제 1 실시형태와 같다.
(제 2 실시형태)
이어서, 본 발명의 제 2 실시형태에 의한 고체 촬상 소자에 대하여 설명한다. 도 8은 본 실시형태의 고체 촬상 소자의 화소 부분의 개략 구성을 나타내는 단면도이다. 또한, 도 8에 있어서는, 도 5에 나타내는 각 화소의 구성과 같은 것에는 동일한 부호를 붙이고, 그 상세한 설명은 생략한다. 도 8에 나타내는 바와 같이, 본 실시형태의 고체 촬상 소자(20)는 근적외광 검출 영역(3)의 각 화소에 반사 방지막(33)이 형성되어 있다.
[반사 방지막(33)]
반사 방지막(33)은 간섭 필터(31R, 31G, 31B)와 다른 부재나 층의 경계면에서의 반사를 방지하기 위한 것이고, 간섭 필터(31R, 31G, 31B)의 광 출사측 최외층에 적층되어 있다. 즉, 본 실시형태의 고체 촬상 소자(20)에서는 반사 방지막(33) 상에 간섭 필터(31R, 31G, 31B)가 형성되어 있다.
반사 방지막(33)은 굴절률이 1.5∼2.5, 바람직하게는 1.9∼2.1의 범위의 재료로 형성되어 있다. 반사 방지막(33)은, 예를 들면 SiN, C, SiON, Ni 또는 염화은 등에 의해 형성할 수 있지만, 이것들에 한정되는 것은 아니고, 굴절률이 상술한 범위 내이면 그 밖의 재료에 의해 형성되어 있어도 된다. 또한, 반사 방지막(33)의 두께는 특별히 한정되는 것은 아니지만, 예를 들면 5∼1000㎚이다.
본 실시형태의 고체 촬상 소자(20)와 같이, 간섭 필터의 광 출사측 최외층에 반사 방지막(33)을 형성하면, 분광 특성의 편차를 억제하여 투과 특성을 샤프하게 할 수 있으며, 특히 분광 리플(Ripple)이라 불리는 광의 감도가 상하로 흔들리는 현상의 발생을 억제할 수 있다. 또한, 간섭 필터(31R, 31G, 31B)와 광전변환층(11) 사이에 적색광 필터(21R), 녹색광 필터(21G) 및 청색광 필터(21B)가 형성되어 있는 경우에는, 분광 투과 특성 향상의 관점으로부터 규소 기판 상에도 반사 방지막을 형성하는 것이 바람직하다.
또한, 본 실시형태의 고체 촬상 소자(20)에 있어서의 상기 이외의 구성 및 효과는 상술한 제 1 실시형태와 같다.
(제 2 실시형태의 변형예)
이어서, 본 발명의 제 2 실시형태의 변형예에 의한 고체 촬상 소자에 대하여 설명한다. 도 9는 본 실시형태의 고체 촬상 소자의 화소 부분의 개략 구성을 나타내는 단면도이다. 또, 도 9에 있어서는, 도 8에 나타내는 각 화소의 구성과 같은 것에는 동일한 부호를 붙이고, 그 상세한 설명은 생략한다.
도 9에 나타내는 바와 같이, 본 변형예의 고체 촬상 소자(30)는 간섭 필터(31R, 31G, 31B)의 광 입사측 최외층 및 광 출사측 최외층에, 각각 고굴절률층(31H1∼31H5)보다 굴절률이 낮은 유전 재료로 이루어지는 저굴절률층(34L1, 34L2)이 적층되어 있고, 광 출사측 최외층의 저굴절률층(34L1)에 반사 방지막(33)이 적층되어 있다. 또한, 저굴절률층(34L1, 34L2)은 간섭 필터(31R, 31G, 31B)의 광 입사측 및 광 출사측의 적어도 한쪽의 최외층에 형성되어 있으면 좋다.
저굴절률층(34L1, 34L2)은, 예를 들면 상술한 저굴절률층(31L1∼31L4)과 같은 재료로 형성할 수 있다. 또한, 저굴절률층(34L1, 34L2)의 두께는 서로 달라도 되고, 또한 저굴절률층(31L1∼31L4)과도 달라도 된다. 예를 들면, 광 입사측 최외층에 위치하는 저굴절률층(34L2)을 광 출사측 최외층에 위치하는 저굴절률층(34L1)보다 얇게 하는 경우, 저굴절률층(31L1∼31L4)의 두께가 λ0/(4×nL)일 때, 저굴절률층(34L1)을 1.2×λ0/(4×nL)로 하고, 저굴절률층(34L2)을 0.5×λ0/(4×nL)로 할 수 있다.
본 변형예의 고체 촬상 소자는, 각 화소에 반사 방지막(33)을 형성함과 아울러, 각 간섭 필터(31R, 31G, 31B)의 광 입사측 최외층 및/또는 광 출사측 최외층에 서로 두께가 다른 저굴절률층(32L1, 31L2)을 형성하고 있기 때문에, 특히 가시광 영역에서의 투과 특성을 대폭 향상시킬 수 있다.
(제 3 실시형태)
이어서, 본 발명의 제 3 실시형태에 의한 고체 촬상 소자에 대하여 설명한다. 도 10은 본 실시형태의 고체 촬상 소자의 개략 구성을 모식적으로 나타내는 단면도이다. 또한, 도 10에 있어서는, 도 2에 나타내는 각 화소의 구성과 같은 것에는 같은 부호를 붙이고, 그 상세한 설명은 생략한다.
상술한 제 1 및 제 2 실시형태의 고체 촬상 소자는, 가시광 검출 영역과 근적외 검출 영역을 별도 화소로 구성하고 있지만, 본 발명은 이것에 한정되는 것은 아니고, 가시광 검출 영역과 근적외 검출 영역은 그 일부 또는 전부가 중복되어 있어도 된다. 즉, 본 발명의 고체 촬상 소자는 가시광과 근적외광의 양쪽을 검출하는 화소를 구비하고 있어도 된다.
도 10에 나타내는 바와 같이, 본 실시형태의 고체 촬상 소자(40)에는 제 1 가시광 및 이 제 1 가시광과 상관 관계에 있는 제 1 근적외광을 수광하는 제 1 화소와, 제 1 가시광과는 파장이 다른 제 2 가시광 및 이 제 2 가시광과 상관 관계에 있는 제 2 근적외광을 수광하는 제 2 화소와, 제 1 및 제 2 가시광과는 파장이 다른 제 3 가시광 및 이 제 3 가시광과 상관 관계에 있는 제 3 근적외광을 수광하는 제 3 화소가 형성되어 있다. 이와 같이, 본 실시형태의 고체 촬상 소자(1)에는 검출 파장이 다른 3종류의 화소가 형성되어 있다.
예를 들면, 제 1∼제 3 가시광이 각각 적색광(R), 녹색광(G), 청색광(B)이었을 경우, 제 1∼제 3 근적외광은 적색광과 상관 관계에 있는 근적외 영역의 광(NIR-R), 녹색광과 상관 관계에 있는 근적외 영역의 광(NIR-G), 청색광과 상관 관계에 있는 근적외 영역의 광(NIR-B)이다. 또한, 예를 들면 근적외광 NIR-R은 700∼830㎚의 범위에서 임의의 파장의 광이며, 근적외광 NIR-G는 880∼1200㎚의 범위에서 임의의 파장의 광이며, 근적외광 NIR-B는 830∼880㎚의 범위에서 임의의 파장의 광이며, 각각 다른 파장의 광이다.
본 실시형태의 고체 촬상 소자(40)의 각 화소에는, 광전변환층(11) 상에 각각 제 1∼제 3 가시광 이외의 가시광을 반사 및/또는 흡수하는 광학필터와, 특정 파장역의 근적외광을 반사 또는/흡수하는 광학필터가 적층되어 있다.
[광학필터]
제 1∼제 3 가시광이 각각 적색광(R), 녹색광(G), 청색광(B)일 경우, 도 1에 나타내는 바와 같이, 광전변환층(11)의 각 광전변환부의 바로 위 영역에는, 각각 적색광(R) 이외의 가시광을 반사 및/또는 흡수하는 적색 컬러필터(21R), 녹색광(G) 이외의 가시광을 반사 및/또는 흡수하는 녹색 컬러필터(21G), 청색광(B) 이외의 가시광을 반사 및/또는 흡수하는 청색 컬러필터(21B)가 형성되어 있다.
각 컬러필터(21R, 21G, 21B)의 구성은 특별하게 한정되는 것은 아니고, 특정 파장에 흡수를 갖는 유기 재료를 사용한 것 이외에, 특정 파장의 가시광을 커트하는 가시광 차단 필터나 간섭 필터를 사용할 수도 있다. 또한, 광전변환층(11) 상에 형성되는 각 컬러필터(21R, 21G, 21B)의 투과 파장은, 상술한 적색광(R), 녹색광(G) 및 청색광(B)에 한정되는 것은 아니고, 고체 촬상 소자의 사양 등에 따라 적당하게 선택할 수 있다.
또한, 광전변환층(11)의 각 광전변환부의 바로 위 영역에는, 각각 상술한 컬러필터(21R, 21G, 21B)와 함께, 특정 파장역의 근적외광을 반사 및/또는 흡수하는 근적외광 차단 필터가 형성되어 있다. 근적외광 차단 필터는, 예를 들면 750㎚ 이상의 근적외광을 반사 또는/흡수하는 근적외 차단 필터(31R), 650∼900㎚의 근적외광을 반사 또는/흡수하는 근적외 차단 필터(31G), 550∼860㎚ 및/또는 900㎚ 이상의 근적외광을 반사 또는/흡수하는 1 또는 2 이상의 근적외 차단 필터(31B)로 할 수 있다.
근적외광 차단 필터(31R, 31G, 31B)는, 예를 들면 도 3, 도 5, 도 8 및 도 9 에 나타내는 바와 같은 굴절률이 다른 2종류의 유전체층을 교대로 적층한 구조의 간섭 필터에 의해 실현할 수 있다. 또한, 본 실시형태의 고체 촬상 소자에 사용하는 근적외광 차단 필터는, 상술한 간섭 필터를 사용한 구성에 한정되는 것은 아니고, 특정 파장의 근적외광을 커트하는 것이면 되고, 2 이상의 쇼트 패스 필터, 롱 패스 필터, 밴드 패스 필터를 조합시켜서 사용할 수도 있다.
<적색화소>
도 11은 적색 컬러필터(21R)의 분광 투과 특성을 나타내는 도면이고, 도 12는 820㎚ 이상의 근적외광을 커트하는 쇼트 패스 필터의 분광 투과 특성을 나타내는 도면이고, 도 13은 도 11에 나타내는 광학필터와 도 12에 나타내는 광학필터를 적층했을 경우의 분광 특성을 나타내는 도면이다.
예를 들면 적색 컬러필터(21R)가 도 11에 나타내는 분광 투과 특성을 가질 경우, 근적외광 차단 필터(31R)로서, 도 12에 나타내는 분광 특성을 갖는 근적외광 차단 필터를 적층하면 좋다. 이것에 의해, 적색화소에서는 도 13에 나타내는 분광 투과 특성이 얻어지고, 광전변환부에는 가시역에서는 적색광(R)만이, 근적외역에서는 적색 근적외광 NIR-R만이 입사한다.
<녹색화소>
도 14는 녹색 컬러필터(21G)의 분광 투과 특성을 나타내는 도면이고, 도 15는 650∼900㎚의 근적외광을 커트하는 광학필터의 분광 투과 특성을 나타내는 도면이고, 도 16은 도 14에 나타내는 광학필터와 도 15에 나타내는 광학필터를 적층했을 경우의 분광 투과 특성을 나타내는 도면이다.
예를 들면, 녹색 컬러필터(21G)가 도 14에 나타내는 분광 투과 특성을 가질 경우, 근적외광 차단 필터(31G)로서, 도 15에 나타내는 분광 특성을 갖는 근적외광 차단 필터를 적층하면 좋다. 이것에 의해, 녹색화소에서는 도 16에 나타내는 분광 투과 특성이 얻어지고, 광전변환부에는 가시역에서는 녹색광(G)만이, 근적외역에서는 녹색 근적외광 NIR-G만이 입사한다.
<청색화소>
도 17은 청색 컬러필터(21B)의 분광 투과 특성을 나타내는 도면이고, 도 18a는 중심파장 750㎚의 밴드 패스 필터의 분광 투과 특성을 나타내는 도면이고, 도 18b는 890㎚ 이상의 근적외광을 커트하는 쇼트 패스 필터의 분광 투과 특성을 나타내는 도면이고, 도 19는 도 17에 나타내는 광학필터와 도 18의 a, b에 나타내는 광학필터를 적층했을 경우의 분광 투과 특성을 나타내는 도면이다.
예를 들면, 청색 컬러필터(21B)가 도 17에 나타내는 분광 투과 특성을 가질 경우, 근적외광 차단 필터(31B)로서 도 18a에 나타내는 분광 특성을 갖는 밴드 버스 필터와, 도 18b에 나타내는 광 특성을 갖는 쇼트 패스 필터를 적층하면 좋다. 이것에 의해, 청색화소에서는 도 19에 나타내는 분광 투과 특성이 얻어지고, 광전변환부에는 가시역에서는 청색광(B)만이, 근적외역에서는 청색 근적외광 NIR-B만이 입사한다.
[광학필터 구성과 분광 투과 특성]
도 20은 도 10에 나타내는 고체 촬상 소자(40)의 분광 투과 특성을 나타내는 도면이고, 도 21∼도 23은 본 실시형태의 고체 촬상 소자(40)의 필터 구성예와 그 분광 투과 특성을 나타내는 도면이다. 싱술한 도 13, 도 16 및 도 19에 나타내는 분광 투과 특성을 나타내는 적색화소, 녹색화소 및 청색화소로 구성된 고체 촬상 소자는, 도 20에 나타내는 분광 투과 특성을 나타낸다.
또한, 예를 들면 도 21a에 나타내는 바와 같이, 적색 컬러필터(21R)와 녹색 컬러필터(21G)의 위에 850㎚ 전후의 광을 커트하는 근적외광 차단 필터를 적층하고, 또한 청색 컬러필터(21B) 위에만 708㎚ 전후의 광을 커트하는 근적외광 차단 필터를 적층한다.
그리고, 적색화소 및 청색화소에는 또한 860㎚ 이상의 근적외광을 커트하는 근적외광 차단 필터를 적층한다. 상술한 각 근적외광 차단 필터에는, 예를 들면 상술한 간섭 필터를 사용할 수 있다. 이 구성의 광학필터를 구비하는 고체 촬상 소자(1)는 도 21b에 나타내는 분광 투과 특성을 나타낸다.
또한, 예를 들면 도 22a에 나타내는 바와 같이, 녹색화소의 근적외광 차단 필터(31G)를, 850㎚ 전후의 보다 광대역의 광을 커트하는 적외 차단 필터로 할 수도 있다. 이 구성의 광학필터를 구비하는 고체 촬상 소자(1)는, 도 22b에 나타내는 분광 투과 특성을 나타낸다.
한편, 도 23a에 나타내는 바와 같이, 녹색 컬러필터(21G)와 청색 컬러필터(21B)에 708㎚ 전후의 광을 커트하는 근적외광 차단 필터를 적층하고, 녹색화소에는 850㎚ 전후의 보다 광대역의 광을 커트하는 적외 차단 필터를, 청색화소에는 890㎚ 이상의 근적외광을 커트하는 근적외광 차단 필터를 더 적층한 구성으로 할 수도 있다.
이 경우, 적색화소에는 적색 컬러필터(21R)와 820㎚ 이상의 근적외광을 커트하는 근적외광 차단 필터를 적층하지만, 이 근적외 차단 필터와 적색 컬러필터의 사이에 버퍼층을 형성해도 된다. 이 구성의 광학필터를 구비하는 고체 촬상 소자(1)는, 도 23b에 나타내는 분광 투과 특성을 나타낸다.
도 10∼도 23에서는, 컬러필터(21R, 21G, 21B) 상에 근적외광 차단 필터(31R, 31G, 31B)를 형성한 구성예를 나타내고 있지만, 본 발명은 이것에 한정되는 것은 아니고, 근적외광 차단 필터(31R, 31G, 31B)를 하층에, 컬러필터(21R, 21G, 21B)를 상층에 형성할 수도 있다. 단, 경사 방향으로부터의 광이 다른 화소에 입사하기 어렵기 때문에, 광전변환층(11)측에 컬러필터(21R, 21G, 21B)를 형성하고, 광 입사측에 근적외광 차단 필터(31R, 31G, 31B)를 형성하는 것이 바람직하다.
또한, 본 실시형태의 고체 촬상 소자(1)는, 컬러필터(21R, 21G, 21B)와 근적외광 차단 필터(31R, 31G, 31B)는 직접 적층되어 있을 필요는 없고, 이것들 사이에 평탄화층이나 버퍼층 등이 형성되어 있어도 된다. 또한, 본 실시형태의 고체 촬상 소자(1)의 각 화소에는 온칩 렌즈 등이 설치되어 있어도 된다.
[동작]
이어서, 본 실시형태의 고체 촬상 소자(40)의 동작에 대하여 설명한다. 본 실시형태의 고체 촬상 소자(40)는 적색화소에서 적색광(R)과 적색 근적외광 NIR-R을 검출하고, 녹색화소에서 녹색광(G)과 녹색 근적외광 NIR-G를 검출하고, 청색화소에서 청색광(B)과 청색 근적외광 NIR-B를 검출한다. 그리고, 각 광전변환부에서는 검출된 광의 강도에 대응하는 전기신호가 출력되고, 이것에 의해, 가시광 또는 근적외광에 유래하는 컬러 화상이 얻어진다.
이상 상술한 바와 같이, 본 실시형태의 고체 촬상 소자는 가시광용의 광학필터와 근적외광용의 광학필터를 적층한 구성으로 하고 있기 때문에, 간소한 구성으로 적색광(R), 녹색광(G), 청색광(B)과, 그것들의 광과 상관이 있는 근적외광 NIR-R, NIR-G, NIR-G를 분광하고, 검출할 수 있다. 근적외광 NIR-R, NIR-G, NIR-B는 적색광(R), 녹색광(G), 청색광(B)과 상관이 있기 때문에, 이것들에 유래하는 신호를 이용함으로써 근적외광 검출에 있어서도 가시광 검출과 동등한 컬러 화상을 형성할 수 있다. 그 결과, 본 실시형태의 고체 촬상 소자를 사용함으로써 통상 조도부터 어둠(0럭스)까지 광범위한 조도 환경에서 컬러 화상이 촬영 가능해진다.
본 실시형태에 있어서는 가시광과 근적외광의 양쪽을 검출하는 3종류의 화소가 형성되어 있을 경우를 예로 들어 설명했지만, 본 발명은 이것에 한정되는 것은 아니고, 검출 파장이 다른 4종 이상의 화소가 형성되어 있어도 된다. 구체적으로는, 제 1 가시광 및 이 제 1 가시광과 상관 관계에 있는 제 1 근적외광을 수광하는 제 1 화소와, 제 1 가시광과는 파장이 다른 제 2 가시광 및 이 제 2 가시광과 상관 관계에 있는 제 2 근적외광을 수광하는 제 2 화소와, 제 1 및 제 2 가시광과는 파장이 다른 제 3 가시광 및 이 제 3 가시광과 상관 관계에 있는 제 3 근적외광을 수광하는 제 3 화소에 추가해서, 제 1∼제 3 중 어느 하나의 가시광을 수광하는 1 또는 2 이상의 화소(가시광 화소)가 형성되어 있어도 된다.
또한, 본 실시형태의 고체 촬상 소자의 구성은 이면 조사형 및 표면 조사형의 어느 쪽에도 적용 가능하지만, 반사광의 영향이 적은 이면 조사형이 적합하다. 또한, 본 실시형태의 고체 촬상 소자에 있어서의 상기 이외의 구성 및 효과는, 상술한 제 1 실시형태 및 제 2 실시형태와 같다.
(제 4 실시형태)
이어서, 본 발명의 제 4 실시형태에 의한 고체 촬상 소자에 대하여 설명한다. 도 24a는 본 실시형태의 고체 촬상 소자의 화소 배치예를 나타내는 도면이고, 도 24b는 그 화소 상에 형성된 광학필터의 분광 특성을 나타내는 도면이다. 상술한 제 1∼제 3 실시형태의 고체 촬상 소자에서는, 근적외광 NIR-R, NIR-G, NIR-B를 각각 별도의 화소에서 검출하고 있지만, 파장이 다른 복수의 근적외광을 동일 화소에서 검출하는 구성을 선택할 수도 있다.
도 24a 및 도 24b에 나타내는 바와 같이, 본 실시형태의 고체 촬상 소자(10)는 적색광(R)와 적색 근적외광 NIR-R을 검출하는 화소, 녹색광(G)과 적색 근적외광 NIR-R, 청색 근적외광 NIR-B 및 녹색 근적외광 NIR-G를 포함하는 광대역의 광 NIR-W를 검출하는 화소, 청색광(B)과 녹색 근적외광 NIR-G를 검출하는 화소를 구비한다. 또한 본 실시형태의 고체 촬상 소자(10)에서는, 가시광과 근적외광의 양쪽을 수광하는 화소에 추가해서, 녹색광(G)과 같이 가시광만을 수광하는 화소를 형성할 수도 있다.
본 실시형태의 고체 촬상 소자(10)는, 화소의 구성이 심플하게 되기 때문에 제조 비용을 저감할 수 있다.
(제 5 실시형태)
이어서, 본 발명의 제 5 실시형태에 의한 고체 촬상 장치에 대하여 설명한다. 도 25는 본 실시형태의 고체 촬상 장치의 구성을 나타내는 개념도이다. 도 25에 나타내는 바와 같이, 본 실시형태의 고체 촬상 장치(50)는 상술한 제 1 실시형태의 고체 촬상 소자(1)를 구비하고, 이것들로부터 출력된 신호에 의거하여 컬러 화상을 생성한다.
본 실시형태의 촬상 장치(50)는 고체 촬상 소자(1)에서 취득한 신호를 해석하고, 각 화소로부터 출력되는 가시광에 의거하는 신호, 근적외광에 의거하는 신호 또는 그 양쪽을 이용하여, 컬러 화상을 생성하는 화상 생성부(43)를 구비하고 있어도 된다. 화상 생성부(43)는, 예를 들면 「낮 모드」의 경우에는 가시광에 의거한 신호(41)만을 이용해 컬러 화상을 생성하고, 「밤 모드」의 경우에는 근적외광에 의거한 신호(42)만을 이용해서 컬러 화상을 생성한다.
또한, 화상 생성부(43)에서는 가시광에 의거한 신호(41) 및 근적외광에 의거한 신호(42)의 양쪽을 이용하여 컬러 화상을 생성할 수도 있다. 그 경우, 예를 들면 「낮 모드」의 경우에는 근적외광에 의거한 신호(42)를 이용하여 가시광에 의거한 신호(41)를 보정하고, 근적외광 성분의 영향을 제거한 컬러 화상을 생성한다. 한편, 「밤 모드」의 경우에는 가시광에 의거한 신호(41)를 이용하여 근적외광에 의거한 신호(42)를 보정하고, 헤드라이트 등의 환경광에 포함되는 가시광 성분의 영향을 제거한 컬러 화상을 생성한다. 이것에 의해, 가시광 및 근적외광의 검출 정밀도가 향상하고, 컬러 촬영에 있어서의 색의 재현성을 높일 수 있다.
본 실시형태의 촬상 장치는, 적색광(R), 녹색광(G), 청색광(B)과, 그것들의 광과 상관이 있는 근적외광 NIR-R, NIR-G, NIR-B를 검출하는 고체 촬상 소자를 구비하고 있기 때문에, 통상 조도부터 어둠(0럭스)까지 광범위한 조도 환경에서 컬러 화상을 촬영할 수 있다.
또한, 여기에서는 제 1 실시형태의 고체 촬상 소자(1)를 사용했을 경우를 예로 들어 설명했지만, 본 발명은 이것에 한정되는 것은 아니고, 제 2∼4의 실시형태의 고체 촬상 소자를 이용하여도 마찬가지로 촬영할 수 있고, 같은 효과가 얻어진다.
(제 5 실시형태의 변형예)
이어서, 본 발명의 제 5 실시형태의 변형예에 의한 촬상 장치에 대하여 설명한다. 도 26은 본 변형예의 촬상 장치의 구성을 모식적으로 나타내는 도면이다. 도 26에 나타내는 바와 같이, 본 변형예의 촬상 장치(51)는 상술한 제 3 실시형태의 고체 촬상 소자(40)에 추가해서, 가시광 검출용 고체 촬상 소자(6)가 형성되어 있다.
도 27a는 가시광 검출용 고체 촬상 소자(6)의 화소 배치예를 나타내는 평면도이며, 도 27b는 근적외광 검출용 고체 촬상 소자(40)의 화소 배치예를 나타내는 평면도이다. 도 27a에 나타내는 바와 같이, 가시광 검출용 고체 촬상 소자(6)는 적색광(R)을 검출하는 화소와, 녹색광(G)을 검출하는 화소와, 청색광(B)을 검출하는 화소를 구비한다. 또한, 도 27b에 나타내는 바와 같이, 고체 촬상 소자(40)는 적색광(R) 및 적색 근적외광 NIR-R을 검출하는 화소와, 녹색광(G) 및 녹색 근적외광 NIR-G를 검출하는 화소와, 청색광(B) 및 청색 근적외광 NIR-B를 검출하는 화소를 구비한다.
본 변형예의 촬상 장치(51)에서는, 필요에 따라서 가시광 검출용 고체 촬상 소자(6)의 광 입사면측에 적외광 차단 필터(5)를 배치해도 좋다. 본 변형예의 촬상 장치(51)는, 예를 들면 하프 미러(4) 등의 광학소자를 이용하여 입사광을 2개로 나누고, 가시광 검출용 고체 촬상 소자(6)와 근적외광 검출용 고체 촬상 소자(40)에 입사시킨다. 그리고, 가시광 검출용 고체 촬상 소자(6)로 적색광(R), 녹색광(G), 청색광(B)을 검출함과 아울러, 근적외광 검출용 고체 촬상 소자(40)로 적색광(R), 녹색광(G), 청색광(B) 및 그것들의 광과 상관이 있는 근적외광 NIR-R, NIR-G, NIR-B를 검출한다.
본 변형예의 촬상 장치(51)는 가시광과 근적외광을 별도의 고체 촬상 소자에서 검출하고 있기 때문에, 동일 소자 상에 가시광 검출 영역과 근적외광 검출 영역을 형성하는 구성에 비하여 화소의 구성이 심플하게 되고, 고체 촬상 소자의 제조 비용을 저감할 수 있다. 또한, 본 변형예의 촬상 장치(51)에서는, 2개의 고체 촬상 소자가 대응하는 화소에서 하나의 광으로부터 분광된 가시광과 근적외광을 검출하고 있기 때문에, 1영역에 대해서 가시광과 그것에 대응하는 근적외광을 검출할 수 있고, 또한 동일파장의 화소간의 밀도도 높아지기 때문에, 보다 높은 해상도를 확보할 수 있다. 또한, 본 변형예의 촬상 장치에 있어서의 상기 이외의 구성 및 효과는 상술한 제 5 실시형태와 같다.
1, 10, 12, 20, 30, 40 : 고체 촬상 소자
2 : 가시광 검출 영역
3 : 근적외광 검출 영역
4 : 하프 미러
5, 22 : 적외광 차단 필터
6 : 가시광 검출용 고체 촬상 소자
11 : 광전변환층
21B, 21G, 21R : 컬러필터
31B, 31G, 31R : 간섭 필터(근적외광 차단 필터)
31H1∼31H5, 31H21, 31H22, 31H31, 31H32 : 고굴절률층
31L0∼31L4, 34L1, 34L2 : 저굴절률층
32 : 가시광 차단 필터
33 : 반사 방지막
41 : 가시광에 유래하는 신호
42 : 근적외광에 유래하는 신호
43 : 화상 생성부
50, 51 : 촬상 장치
2 : 가시광 검출 영역
3 : 근적외광 검출 영역
4 : 하프 미러
5, 22 : 적외광 차단 필터
6 : 가시광 검출용 고체 촬상 소자
11 : 광전변환층
21B, 21G, 21R : 컬러필터
31B, 31G, 31R : 간섭 필터(근적외광 차단 필터)
31H1∼31H5, 31H21, 31H22, 31H31, 31H32 : 고굴절률층
31L0∼31L4, 34L1, 34L2 : 저굴절률층
32 : 가시광 차단 필터
33 : 반사 방지막
41 : 가시광에 유래하는 신호
42 : 근적외광에 유래하는 신호
43 : 화상 생성부
50, 51 : 촬상 장치
Claims (21)
- 가시광을 검출하는 가시광 검출 영역과,
근적외광을 검출하는 근적외광 검출 영역을 갖고,
상기 가시광 검출 영역에는,
제 1 가시광을 수광하는 제 1 가시광 화소,
상기 제 1 가시광과는 파장이 다른 제 2 가시광을 수광하는 제 2 가시광 화소,
그리고 상기 제 1 및 제 2 가시광과는 파장이 다른 제 3 가시광을 수광하는 제 3 가시광 화소가 형성되어 있고,
상기 근적외광 검출 영역에는,
제 1 근적외광을 수광하는 제 1 근적외 화소,
상기 제 1 근적외광과는 파장이 다른 제 2 근적외광을 수광하는 제 2 근적외광 화소,
그리고 상기 제 1 및 제 2 근적외광과는 파장이 다른 제 3 근적외광을 수광하는 제 3 근적외광 화소가 형성되어 있는 고체 촬상 소자. - 제 1 항에 있어서,
상기 제 1 근적외광 화소에는 상기 제 1 근적외광을 선택적으로 투과하는 제 1 간섭 필터가 형성되고,
상기 제 2 근적외광 화소에는 상기 제 2 근적외광을 선택적으로 투과하는 제 2 간섭 필터가 형성되고,
상기 제 3 근적외광 화소에는 상기 제 3 근적외광을 선택적으로 투과하는 제 3 간섭 필터가 형성되어 있는 고체 촬상 소자. - 제 2 항에 있어서,
상기 제 1 간섭 필터는 800㎚보다 장파장의 근적외광의 투과율이 50% 이하인 쇼트 패스 필터이고,
상기 제 2 간섭 필터는 중심파장이 850㎚인 밴드 패스 필터이며,
상기 제 3 간섭 필터는 890㎚보다 단파장의 근적외광의 투과율이 50% 이하인 롱 패스 필터인 고체 촬상 소자. - 제 2 항 또는 제 3 항에 있어서,
상기 제 1∼제 3 근적외광 화소에는 반사 방지막이 형성되어 있고, 상기 반사 방지막 상에 상기 제 1∼제 3 간섭 필터가 형성되어 있는 고체 촬상 소자. - 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 제 1∼제 3 근적외 화소에는 가시광을 반사 및/또는 흡수하는 가시광 차단 필터가 형성되어 있는 고체 촬상 소자. - 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 제 1 근적외광 화소에는 상기 제 1 가시광 이외의 가시광을 반사 및/또는 흡수하는 제 1 컬러필터가, 상기 제 2 근적외광 화소에는 상기 제 2 가시광 이외의 가시광을 반사 및/또는 흡수하는 제 2 컬러필터가, 상기 제 3 근적외 화소에는 상기 제 3 가시광 이외의 가시광을 반사 및/또는 흡수하는 제 3 컬러필터가 각각 형성되어 있는 고체 촬상 소자. - 제 6 항에 있어서,
상기 제 1∼제 3 컬러필터는 상기 제 1∼제 3 간섭 필터보다 하층에 형성되어 있는 고체 촬상 소자. - 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 제 1 가시광 화소에는 상기 제 1 가시광 이외의 가시광을 반사 및/또는 흡수하는 제 1 컬러필터가 형성되고,
상기 제 2 가시광 화소에는 상기 제 2 가시광 이외의 가시광을 반사 및/또는 흡수하는 제 2 컬러필터가 형성되며,
상기 제 3 가시광 화소에는 상기 제 3 가시광 이외의 가시광을 반사 및/또는 흡수하는 제 3 컬러필터가 형성되어 있는 고체 촬상 소자. - 제 1 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 제 1∼제 3 가시광 화소에는 적외광을 반사 및/또는 흡수하는 적외광 차단 필터가 형성되어 있는 고체 촬상 소자. - 제 1 가시광 및 상기 제 1 가시광과 상관 관계에 있는 제 1 근적외광을 수광하는 제 1 화소와,
상기 제 1 가시광과는 파장이 다른 제 2 가시광 및 상기 제 2 가시광과 상관 관계에 있는 제 2 근적외광을 수광하는 제 2 화소와,
상기 제 1 및 제 2 가시광과는 파장이 다른 제 3 가시광 및 상기 제 3 가시광과 상관 관계에 있는 제 3 근적외광을 수광하는 제 3 화소를 갖고,
상기 제 1 화소에는 상기 제 1 가시광 이외의 가시광을 반사 및/또는 흡수하는 광학필터와, 특정 파장역의 근적외광을 반사 또는/흡수하는 광학필터가 적층되어 있고,
상기 제 2 화소에는 상기 제 2 가시광 이외의 가시광을 반사 및/또는 흡수하는 광학필터와, 특정 파장역의 근적외광을 반사 또는/흡수하는 광학필터가 적층되어 있으며,
상기 제 3 화소에는 상기 제 3 가시광 이외의 가시광을 반사 및/또는 흡수하는 광학필터와, 특정 파장역의 근적외광을 반사 및/또는 흡수하는 광학필터가 적층되어 있는 고체 촬상 소자. - 제 10 항에 있어서,
상기 제 1 화소는 적색광 이외의 광을 반사 및/또는 흡수하는 적색 컬러필터와, 750㎚ 이상의 근적외광을 반사 또는/흡수하는 근적외 차단 필터를 구비하고,
상기 제 2 화소는 녹색광 이외의 광을 반사 및/또는 흡수하는 녹색 컬러필터와, 650∼900㎚의 근적외광을 반사 또는/흡수하는 근적외 차단 필터를 구비하며,
상기 제 3 화소는 청색광 이외의 광을 반사 및/또는 흡수하는 청색 컬러필터와, 550∼860㎚ 및/또는 900㎚ 이상의 근적외광을 반사 또는/흡수하는 1 또는 2 이상의 근적외 차단 필터를 구비하는 고체 촬상 소자. - 제 10 항 또는 제 11 항에 있어서,
상기 제 1 화소는 제 1 가시광 이외의 광을 반사 및/또는 흡수하는 제 1 컬러필터와, 특정 파장역의 근적외광을 선택적으로 투과하는 제 1 간섭 필터를 구비하고,
상기 제 2 화소는 제 2 가시광 이외의 광을 반사 및/또는 흡수하는 제 2 컬러필터와, 특정 파장역의 근적외광을 선택적으로 투과하는 제 2 간섭 필터를 구비하며,
상기 제 3 화소는 제 3 가시광 이외의 광을 반사 및/또는 흡수하는 제 3 컬러필터와, 특정 파장역의 근적외광을 선택적으로 투과하는 제 3 간섭 필터를 구비하는 고체 촬상 소자. - 제 12 항에 있어서,
상기 제 1∼제 3 화소에는 반사 방지막이 형성되어 있고, 상기 반사 방지막 상에 상기 제 1∼제 3 간섭 필터가 형성되어 있는 고체 촬상 소자. - 제 12 항에 있어서,
상기 제 1∼제 3 간섭 필터는 상기 제 1∼제 3 컬러필터보다 상층에 형성되어 있는 고체 촬상 소자. - 제 2 항 또는 제 12 항에 있어서,
상기 제 1 간섭 필터, 상기 제 2 간섭 필터 및 상기 제 3 간섭 필터는 어느 것이나 제 1 유전체층과 상기 제 1 유전체층보다 굴절률이 높은 제 2 유전체층을 교대로 5층 이상 적층한 구성으로 되어 있고,
광 입사측 및 광 출사측에 위치하는 제 1 유전체층 및 제 2 유전체층의 두께는 각 간섭 필터에서 공통되고, 두께 방향 중간위치의 층의 두께만 서로 다른 고체 촬상 소자. - 제 15 항에 있어서,
상기 제 1 간섭 필터, 상기 제 2 간섭 필터 및 상기 제 3 간섭 필터는 두께 방향 중간에 위치하는 제 2 유전체층의 두께만 서로 다른 고체 촬상 소자. - 제 15 항에 있어서,
상기 제 1 간섭 필터는 두께 방향 중간위치에 다른 제 2 유전층보다 후막인 후막 제 2 유전체층이 형성되어 있고,
상기 제 2 간섭 필터 및 상기 제 3 간섭 필터는 두께 방향 중간위치에 다른 제 1 유전층보다 박막인 박막 제 1 유전체층이 형성되어 있으며, 상기 제 2 간섭 필터의 박막 제 1 유전체층은 상기 제 3 간섭 필터의 박막 제 1 유전체층보다 두꺼운 고체 촬상 소자. - 제 15 항 내지 제 17 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 제 1 간섭 필터, 상기 제 2 간섭 필터 및 상기 제 3 간섭 필터는, 광 입사측 최외층 및/또는 광 출사측 최외층에 상기 제 2 유전체층보다 굴절률이 낮은 제 3 유전체층이 형성되어 있는 고체 촬상 소자. - 제 1 항 내지 제 18 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 제 1 가시광은 적색광이고,
상기 제 2 가시광은 녹색광이고,
상기 제 3 가시광은 청색광이며,
상기 제 1 근적외광은 상기 적색광과 상관 관계에 있는 근적외 영역의 광이고,
상기 제 2 근적외광은 상기 녹색광과 상관 관계에 있는 근적외 영역의 광이며,
상기 제 3 근적외광은 상기 청색광과 상관 관계에 있는 근적외 영역의 광인 고체 촬상 소자. - 제 1 항 내지 제 19 항 중 어느 한 항에 기재된 고체 촬상 소자를 구비하는 촬상 장치.
- 제 20 항에 있어서,
상기 고체 촬상 소자에서 취득한 신호를 해석하고, 제 1∼제 3 가시광에 의거한 컬러 화상 및/또는 제 1∼제 3 근적외광에 의거한 컬러 화상을 생성하는 화상 생성부를 갖는 촬상 장치.
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