カラーフィルター配列

写真では、 カラーフィルターアレイ （ CFA ）、またはカラーフィルターモザイク （ CFM ）は、イメージセンサーのピクセルセンサー上に配置された小さなカラーフィルターのモザイクで、色情報をキャプチャします。

概要

典型的な光センサーはほとんどまたはまったく波長特異性のない光強度を検出し、色情報を分離できないため、カラーフィルターが必要です。センサーは半導体で作られているため、固体物理学に従います。

カラーフィルターは、波長範囲で光をフィルター処理し、フィルター処理された個別の強度に光の色に関する情報が含まれるようにします。たとえば、ベイヤーフィルター（右図）は、赤、緑、青（RGB）の波長領域の光の強度に関する情報を提供します。次に、イメージセンサーでキャプチャされた生の画像データは、カラーフィルターの種類ごとに調整されたデモザイキングアルゴリズムによってフルカラー画像（各ピクセルで3つすべての原色の強度が表されます）に変換されます。 CFAエレメントのスペクトル透過率とデモザイキングアルゴリズムにより、共同で色の表現が決まります。センサーの通過帯域の量子効率とCFAのスペクトル応答の範囲は通常、可視スペクトルよりも広いため、すべての可視色を区別できます。フィルターの応答は一般にCIEカラーマッチング関数に対応しないため、三刺激値を共通の絶対色空間に変換するには色変換が必要です。

Foveon X3センサーは異なる構造を使用しているため、ピクセルはマルチジャンクションのプロパティを利用して、青、緑、赤のセンサーを互いの上に積み重ねます。各ピクセルには各色に関する情報があるため、この配置ではデモザイキングアルゴリズムは必要ありません。 FoveonのDick Merrillは、アプローチをFoveon X3の「垂直カラーフィルター」とCFAの「ラテラルカラーフィルター」として区別しています。

カラーフィルター配列のリスト

RGBWセンサー

RGBWマトリックス（赤、緑、青、白）は、フォトダイオードがすべての色の光に応答できるようにする「白」または透明フィルター要素を含むCFAです。つまり、一部の細胞は「パンクロマティック」であり、Bayerマトリックスと比較して、吸収されるのではなく、より多くの光が検出されます。杉山は2005年にそのような取り決めに関する特許を申請したが、コダックは2007年にいくつかのRGBW CFA特許を発表したが、それらはすべてパンクロマティックセルが無視されると、残りのカラーフィルターされたセルがデータを処理できるように配置されるという特性を持っている標準のバイエルデモザイキングアルゴリズム。

CYGMセンサー

CYGMマトリックス（シアン、黄色、緑、マゼンタ）は、主に二次色を使用するCFAであり、再び入射光の多くを吸収するのではなく検出できるようにします。他のバリアントには、CMYおよびCMYWマトリックスが含まれます。

CFAの製造

ジアゾナフトキノン（DNQ）-ノボラックフォトレジストは、カラー染料からカラーフィルターを作成するためのキャリアとして使用される材料の1つです。この問題の解決策は見つかっていますが、染料とポリマーを適切に露光するために必要な紫外線との間に干渉があります。時々使用されるカラーフォトレジストには、化学名CMCR101R、CMCR101G、CMCR101B、CMCR106R、CMCR106G、およびCMCR106Bが含まれます。

いくつかの情報源では、他の特定の化学物質、光学特性、およびカラーフィルターアレイの最適な製造プロセスについて説明しています。

たとえば、中村氏は、オンチップカラーフィルターアレイの材料は、顔料と染料の2つのカテゴリに分類されると述べました。顔料ベースのCFAは、染料ベースのCFAと比較して高い耐熱性と耐光性を提供するため、主要なオプションになりました。どちらの場合でも、1マイクロメートルまでの厚さは容易に入手できます。

Theuwissen氏は、「以前は、カラーフィルターは別のガラスプレート上で製造され、CCD（Ishikawa 81）に接着されていましたが、現在、すべてのシングルチップカラーカメラには、オンチップ処理されたカラーフィルター（Dillon 78）ハイブリッドとしてではありません。」彼は、吸収フィルターの数、タイプ、エイリアシング効果、モアレパターン、空間周波数に焦点を当てた参考文献を提供しています。

一部の情報源は、CFAを個別に製造し、センサーの製造後に貼付できることを示していますが、他のセンサーは、イメージャーの表面に直接CFAを製造しています。 Theuwissenは、CFA製造で使用される材料については何も言及していません。

オンチップ設計の少なくとも1つの初期の例では、ゼラチンフィルターが使用されていました（青木他、1982年）。ゼラチンは、フォトリソグラフィーによって区分され、その後染色されます。青木は、GフィルターがYフィルターとCフィルターのオーバーラップであるCYWG配置が使用されたことを明らかにしました。

フィルター材料はメーカー固有です。アダムズ等。 state「いくつかの要因がCFAの設計に影響します。最初に、個々のCFAフィルターは通常、透過（吸収）有機または顔料染料の層です。染料が適切な機械的特性（塗布のしやすさ、耐久性、耐湿性など）を持つことを保証しますそして、他の大気ストレスは挑戦的な仕事です。これにより、せいぜいスペクトル応答性を微調整することは困難になります。」

BEOL（集積回路製造ラインの後段）のイメージセンサー表面にCFAが堆積している場合、低温領域を厳密に観察する必要があります（溶融温度が低いため）アルミニウム金属化「ワイヤ」とバルクシリコン内に注入されたドーパントの基板移動度）、ガラスよりも有機物が好ましいでしょう。一方、一部のCVDシリコン酸化プロセスは低温プロセスです。

オーシャンオプティクスは、特許取得済みのダイクロイックフィルターCFAプロセス（ZnSとクライオライトの交互薄膜）を分光CCDに適用できることを示しています。 Gersteltecは、カラーフィルターの特性を持つフォトレジストを販売しています。

CFAで使用されるいくつかの顔料および染料分子

USP＃4,808,501では、Carl Chiulliは5つの化学物質の使用を引用しています。そのうちの3つはCI＃12715、別名Solvent Red 8です。ソルベントイエロー88;およびCI＃61551、Solvent Blue36。USP＃5,096,801においてKoya et al。 、富士写真フィルムの会社では、主にアゾ染料とピラゾロン-ジアゼニルの150-200の化学構造をリストしていますが、化学名、CASレジストリ番号、またはカラーインデックス番号を提供していません。

光学的に効率的なCFAの実装

中村氏は、マイクロレンズの重要性、F値、CFAおよびCCDアレイとの相互作用を示す概略図および書誌事項を提供しています。さらに、反射防止膜について簡単に説明しますが、Janesickの研究は光子とシリコンの相互作用に関心があるようです。マイクロレンズと3枚のCCD /プリズムカメラに関する初期の研究では、CFA用の完全に統合された設計ソリューションの重要性が強調されています。カメラシステムは、全体として、CFAテクノロジーと他のセンサープロパティとの相互作用を慎重に検討することから恩恵を受けます。