製造現場における欠点・欠陥検出や、産業用ロボットを稼働させるための位置把握などで使用されるデジタルカメラ。このデジタルカメラには、検出精度を向上させるためにさまざまな技術が使用されています。

イメージセンサやカラーフィルタはそのひとつで、画像の認識力を向上させる部材です。カラーフィルタは色認識に不可欠であり、イメージセンサの処理能力は検出速度や検出能力に直結します。

今回は、デジタルカメラなどに使用されるCMOSイメージセンサやカラーフィルタなどの部材の基礎について説明します。

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１．カラーフィルタとCMOSセンサとの関係性

デジタルカメラでは、色彩のある風景などを撮影したとき、レンズによって集められた光がカラーフィルタを通過して、画像を電機信号に変換する「イメージセンサ（Image Sensor）」で処理されることでデジタルデータ化されます。

イメージセンサ部では、光の強さをフォトダイオードで電圧に変換することで、各画素内の光の強弱を表現できます。カラーフィルタを通過した波長（色情報）と光の強さを電気信号化することで、撮影した被写体の色彩の濃淡を表現できるのです。

（1）カラーフィルタとは

カラーフィルタは、液晶ディスプレイの色表示などに使用される色表示に不可欠なフィルタです。薄い透明ガラス基盤の上に、光の三原色である「赤色（Red）」「緑色（Green）」「青色（Blue）」のRGBカラーレジストと、色混じりや光もれを防ぐためのブラックマトリクスがパターニングされています。

RGBのそれぞれのフィルタが、特定の波長の光を透過させることで、イメージセンサが色合いを認識します。デジタルカメラ等で撮影した画像を、いかに肉眼と同じように処理するかには、カラーフィルタの性能も欠かせません。

カラーフィルタには、カメラレンズに直接装着して特定の色をカットする目的で使用するものもありますが、今回はイメージセンサ用途のカラーフィルタについて紹介します。

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（2）CMOSとは

CMOSは「Complementary Metal Oxide Semiconductor」の略で、P型とN型のMOS構造トランジスタを組み合わせたものです。超小型でありながら消費電力が小さく、信号伝達速度も速いという特徴があるため、システムLSIのような微細配線の集積回路には不可欠となっています。

CMOSは、デジタルカメラ内のイメージセンサに使用されており、画像変換素子一つ一つにフォトダイオードとトランジスタが設置されています。そのため、処理速度が早く消費電力も小さいという特徴があり、画素数を大きくしながらも、高速で高精細な画像処理ができるのです。

イメージセンサには、CCD（Charge Coupled Devices）形式もあります。画像変換素子全体で集めた電荷をまとめてフォトダイオードで増幅させる構造で、低照度でも画質が良いというメリットがありますが、処理速度が遅く消費電力が高くなるというデメリットもあります。

そのため、工場の生産ラインなどで使われるデジタルカメラでは、CMOS型のイメージセンサが主流となり始めています。

２．カラーフィルタの構造

カラーフィルタは、RGBカラーの3色のレジストと、各色の混合を防ぐための黒い格子（ブラックマトリクス）で形成されています。カラーフィルタは、RGBの配列の違いによって、2つの型式があります。

• ストライプ配列：同色のカラーレジストが縦に並ぶ
• モザイク配列：同色のカラーレジストが斜めに並ぶ

モザイク配列の方が、1画素内でさまざまな色変化を表示できるため微細な色彩表現ができますが、デジタルカメラ等の高精細化によって、ストライプ配列でも色表現能力が向上しています。

液晶ディスプレイなどに用いられるカラーフィルタは、ブラックマトリクス加工を行ったガラス基板状に、RGBパターンを色素含有レジスト工法や無機材料を用いた蒸着・スパッタ工法によってパターニング加工します。最後に、表面のRGBパターン上に導電膜であるITO（酸化インジウムスズ）を被覆形成することで完成します。

３．カラーフィルタの色構成や作成法の違い

カラーフィルタには色の組み合わせや作成工法によって、さまざまな種類があります。

（1）色の組み合わせによる違い

カラーフィルタは、使用する色の組み合わせによって、大きく2つに分けられます。色の組み合わせが異なる理由は、透過する光のスペクトル波長領域を変えることによって、用途に合わせた色彩表示を実現させるためです。

①原色カラーフィルタ

現在最も主流である、光の三原色「RGB」で構成されたカラーフィルタです。色配列には、「Bayer方式」が用いられています。
色の再現性に優れるという特徴があり、デジタルスチルカメラなどを中心に、幅広く用いられています。

②補色カラーフィルタ

原色カラーフィルタと違い、CMYGの4色「シアン（Cyan）」「マゼンダ（Magenta）」「黄色（Yellow）」「緑（Green）」を用いたカラーフィルタです。色配列には、「色差順次方式」が採用されています。
RGBに比べて光の波長の透過範囲が広くなり、透過量が多く解像度に優れるため、低照度での撮影が必要な製品に用いられています。

（2）カラーフィルタの作成工法による違い

①貼り付け構造

ガラス基板の上に、RGBおよびCMYGのパターニングをレジスト工法などで行った後、受光素子を有したイメージセンサとの貼り合わせを行って作成するカラーフィルタです。
貼り付け構造の場合は、セルサイズを小さくすることが難しく、貼り合わせの位置調整の精度が求められます。

②オンチップカラーフィルタ（OCF）

シリコンウェハ上に加工設置されたイメージセンサ上に、RGBおよびCMYGのカラーフィルターを直接加工形成する工法です。半導体設備をそのまま活用でき、受講素子上にそのまま加工形成することから、カラーフィルタと受光素子の位置精度も高く、生産効率が高いという特徴があります。

また、OCFは受光感度向上を目的として、光を集光しやすくするためのマイクロレンズ加工を行います。モデル図は以下のようになります。

1つの画素の中には、フォトダイオードが一つ設置されています。レンズがなければ、直進する光を満遍なくフォトダイオードに届けるため、受光感度が低くなります。マイクロレンズを使用すれば、光を集光させてフォトダイオードに届けるため、画像の再現度が高くなるのです。

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