JP2009005061A - 固体撮像素子およびそれを用いる撮像装置 - Google Patents

Abstract

【課題】カラーイメージセンサなどとして実現される撮像装置に用いられ、基板上に二次元に配列された複数の各画素領域に、それぞれ光電変換部を有して成る固体撮像素子において、簡便な構成で種々の撮影状況に適応可能とする。
【解決手段】前記光電変換部となるフォトダイオード４の基板深部にキャリア排出領域５を設け、昼間、夜間などの撮影モードに応じて、前記キャリア排出領域５に異なるバイアス電圧を印加することで、エネルギーポテンシャル分布、したがって電子を捕獲する深さを変化させ、分光感度特性を異ならせる。したがって、昼間撮影時は不要な近赤外領域感度を抑えて良好な色再現性を得、夜間撮影時は前記近赤外領域感度を増大させることで、充分な感度をもって画像を再生することができる。こうして、簡便な構成で種々の撮影状況に適応することができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、カラーイメージセンサなどとして実現される撮像装置およびその撮像装置に用いられる固体撮像素子に関する。

これまでの固体撮像素子においては、固定された分光感度特性によって、全シーンの撮影を行っている。たとえば、一般的なＣＣＤやＣＭＯＳイメージセンサ等の固体撮像素子を用いたデジタルカメラやビデオカメラにおいては、画素毎に設けられたカラーフィルタの特性によって、撮像装置は予め定められた固定の分光感度特性を有している。一般的には、それらは可視光領域の波長に合わせた分光感度特性、すなわち４００〜８００ｎｍに感度を有するように設定されている。したがって、夜間の撮影等、可視光領域波長の光量が少なく、８００ｎｍを超えるような近赤外領域以上の長波長領域の撮影には、充分な感度を得ることができない。

そこで、そのような状況での撮影を可能にするために、固体撮像素子における光電変換領域の深さを通常より深いものとすることで、前記近赤外領域の感度を向上させたカラー撮像装置が提案されている。しかしながら、そのような従来技術では、昼間の撮影時に、本来不要な赤外領域に感度を有してしまうので、再生したカラー画像における色再現性を著しく低下させてしまうという問題がある。

このため、特許文献１では、昼間の撮影においては固体撮像素子の前に赤外線カットフィルタを挿入し、夜間撮影においてはダミーガラスに切換える機構を設けることで、昼間および夜間共に最適な分光感度特性を有するカメラが提案されている。
特開２００５−３１８２３７号公報

しかしながら、上述の従来技術では、赤外線カットフィルタとダミーガラスとを切換える機構が必要であり、撮像装置の大型化および高コスト化を招くという問題がある。

本発明の目的は、簡便な構成で種々の撮影状況に適応可能な固体撮像素子およびそれを用いる撮像装置を提供することである。

本発明の固体撮像素子は、基板上に二次元に配列された複数の各画素領域に、それぞれ光電変換部を有して成る固体撮像素子において、前記光電変換部の基板深部に設けられるキャリア排出領域と、被写体の輝度分布や分光分布に応じて前記キャリア排出領域へ印加するバイアス電圧を変化することで、前記光電変換部の表層側からキャリア排出領域にかけて、エネルギーポテンシャル分布を変化させ、そのエネルギーポテンシャル分布の変化によって前記被写体の輝度分布や分光分布に適応した分光感度特性を実現するバイアス印加手段とを含むことを特徴とする。

上記の構成によれば、カラーイメージセンサなどとして実現される撮像装置に用いられ、基板上に複数の画素が二次元に配列された固体撮像素子において、前記各画素における光電変換部の基板深部にキャリア排出領域を設けるとともに、そのキャリア排出領域へバイアス印加手段から可変のバイアス電圧を印加可能とする。そして、そのバイアス電圧を変化すると、前記光電変換部の表層側から基板深部（キャリア排出領域）側にかけて、エネルギーポテンシャル分布が変化し、通常、波長が短い光は表層側で光電変換が生じ、波長が長い光は深層側で光電変換が生じるのに対して、電子を排出する深さが変化し、同じ波長で同じ強度の光を照射しても、感度が異なり、すなわち分光感度特性が異なるようになる。

したがって、前記バイアス電圧を複数レベルに切換え可能とすることで、前記分光感度特性も複数レベルに切換え可能となり、被写体の輝度分布や分光分布に応じて、たとえば固体撮像装置がカラー撮像素子である場合は、たとえば昼間撮影時はバイアス電圧を高くすることで分光感度特性における長波長側の感度を低くして、ＩＲカットフィルタが有る状態と等価な分光感度特性として良好な色再現性を得、これに対して夜間撮影時は前記バイアス電圧を低くすることで分光感度における長波長側の感度も高くして、前記ＩＲカットフィルタが無い状態と等価な分光感度特性として、従来の固体撮像素子では感度不足により画像を再生できないようなシーンでも、充分な感度をもって画像を再生することができる。前記被写体の輝度分布や分光分布に対応したバイアス電圧の切換えは、使用者の切換え操作によって行われてもよく、あるいは固体撮像素子の撮像画像や別途設けた輝度計の出力などに応じて自動的に行われてもよい。

このようにして、固体撮像素子の分光感度特性を積極的に操作することで、簡便な構成で種々の撮影状況に適応することができる。

好ましくは、前記基板は第１の導電体から成り、前記光電変換部およびキャリア排出領域は第２の導電体から成る。

また好ましくは、前記各領域は、前記光電変換部と、フローティングディフュージョンと、転送トランジスタと、増幅トランジスタと、行選択トランジスタとを有するＣＭＯＳイメージセンサから成る。

また、本発明の固体撮像素子では、前記各画素領域は、複数のグループに分割されて、前記光電変換部上にそれぞれ適応したカラーフィルタを有し、前記バイアス印加手段は、各グループの画素領域に共通のバイアス電圧を与え、前記被写体が、高輝度や短波長成分が多い分光分布であるときには前記バイアス電圧を高く設定し、低輝度や長波長成分が多い分光分布であるときには前記バイアス電圧を低く設定することを特徴とする。

上記の構成によれば、前記各画素領域を複数のグループに分割して光電変換部上にそれぞれ適応したカラーフィルタを配することでフルカラー撮像を可能とし、各グループの画素領域のバイアス電圧を、共通に、前記被写体が、高輝度や短波長成分が多い分光分布であるときには高く設定し、低輝度や長波長成分が多い分光分布であるときには低く設定することで、たとえば前記のように昼間撮影時はＩＲカットフィルタが有る状態と等価な分光感度特性として良好な色再現性を得、これに対して夜間撮影時は前記ＩＲカットフィルタが無い状態と等価な分光感度特性として充分な感度をもって画像を再生することができるようになる。

さらにまた、本発明の固体撮像素子では、前記各画素領域は、複数のグループに分割されて、前記光電変換部上にそれぞれ適応したカラーフィルタを有し、前記バイアス印加手段は、少なくとも１つのグループの画素領域に対して、前記被写体が、高輝度や短波長成分が多い分光分布であるときには前記バイアス電圧を高く設定し、低輝度や長波長成分が多い分光分布であるときには前記バイアス電圧を低く設定することを特徴とする。

上記の構成によれば、前記各画素領域を複数のグループに分割して光電変換部上にそれぞれ適応したカラーフィルタを配することでフルカラー撮像を可能とし、少なくとも１つのグループの画素領域に対してバイアス電圧の切換えを行う。たとえば、ＲＧＢの場合、ＧおよびＢの画素領域のバイアス電圧を共通に高く設定して切換えを行わず、Ｒの画素領域のバイアス電圧のみを、前記被写体が、高輝度や短波長成分が多い分光分布であるときには高く設定し、低輝度や長波長成分が多い分光分布であるときには低く設定することで、たとえば昼間撮影時はＲＧＢの画素領域には前記のようにＩＲカットフィルタが有る状態と等価な分光感度特性として良好な色再現性を得、これに対して夜間撮影時は前記Ｒの画素領域だけがＩＲカットフィルタが無い状態と等価な分光感度特性となって、比較的明るい部分で前記色再現性が大きく崩れることを防止することができる。

また、本発明の固体撮像素子では、前記各画素領域は、複数のグループに分割されており、前記バイアス印加手段は、少なくとも一部のグループ間で相互に異なるバイアス電圧を与えることで、カラー撮像を可能にすることを特徴とする。

上記の構成によれば、前記各画素領域をＲＧＢなどの複数のグループに分割し、各グループの画素領域のバイアス電圧を共通に制御することで、バイアス電圧が最も高いグループでは短波長側のみに分光感度を有し、バイアス電圧が低くなる程、長波長側にも分光感度を有するようになる。

したがって、バイアス電圧を調整するだけで、Ｂのみに分光感度を有する画素、ＢおよびＧのみに分光感度を有する画素、ＲＧＢの総てに分光感度を有する画素のようにフルカラー撮像が可能になり、たとえば昼間撮影時に良好な色再現性を得ることができるとともに、夜間撮影時はバイアス電圧が最も低いグループのバイアス電圧だけをさらに低くすることで、ＩＲ領域に感度を有し、充分な感度をもって画像を再生することができるようになる。

さらにまた、本発明の固体撮像素子では、前記各画素領域は、さらにＩＲカットフィルタを有することを特徴とする。

上記の構成によれば、夜間撮影時における可視光領域の色再現性を向上することができる。

また、本発明の固体撮像素子では、前記バイアス印加手段は、前記各画素領域に共通のバイアス電圧を与え、前記被写体が、高輝度や短波長成分が多い分光分布であるときには前記バイアス電圧を高く設定し、低輝度や長波長成分が多い分光分布であるときには前記バイアス電圧を低く設定することを特徴とする。

上記の構成によれば、前記バイアス印加手段が前記各画素領域に共通のバイアス電圧を与えることで高精細なモノクロ撮影を行うようになり、そのバイアス電圧を、前記被写体が、高輝度や短波長成分が多い分光分布であるときには高く設定し、低輝度や長波長成分が多い分光分布であるときには低く設定することで、たとえば昼間撮影時は人間の目に近い画像を得、これに対して夜間撮影時は人間の目では見えないような赤外光を放射する被写体の画像を得ることができる。

さらにまた、本発明の撮像装置は、前記の固体撮像素子を用い、前記固体撮像素子へ被写体画像を導く光学系と、前記各画素から得られた出力信号をアナログ／デジタル変換するアナログ／デジタル変換部と、デジタル変換された前記出力信号を元に色補間演算を行い、カラー画像を再生する色補間演算部を備える画像処理部とを備えて構成されることを特徴とする。

上記の構成によれば、単一の固体撮像素子で、前記のような昼間と夜間とのように種々の撮影状況に適応することができるカラーイメージセンサを実現することができる。なお、前記アナログ／デジタル変換部および色補間演算部を備える画像処理部の一部もしくは全部が、固体撮像素子内に設けられていてもよい。

本発明の固体撮像素子は、以上のように、カラーイメージセンサなどとして実現される撮像装置に用いられ、基板上に複数の画素が二次元に配列された固体撮像素子において、前記各画素における光電変換部の基板深部にキャリア排出領域を設けるとともに、そのキャリア排出領域へ可変のバイアス電圧を印加可能とし、そのバイアス電圧を変化すると、前記光電変換部の表層側から基板深部側にかけてのエネルギーポテンシャル分布が変化し、電子を排出する深さが変化して、同じ波長で同じ強度の光を照射しても、感度が異なるようになる。

それゆえ、分光感度特性が複数レベルに切換え可能となり、たとえば固体撮像装置がカラー撮像素子である場合は、たとえば昼間撮影時はＩＲカットフィルタが有る状態と等価な分光感度特性として良好な色再現性を得、これに対して夜間撮影時は前記ＩＲカットフィルタが無い状態と等価な分光感度特性として充分な感度を得られるようにするなど、簡便な構成で種々の撮影状況に適応することができる。

さらにまた、本発明の撮像装置は、以上のように、前記の固体撮像素子を用い、前記固体撮像素子へ被写体画像を導く光学系と、前記各画素から得られた出力信号をアナログ／デジタル変換するアナログ／デジタル変換部と、デジタル変換された前記出力信号を元に色補間演算を行い、カラー画像を再生する色補間演算部を備える画像処理部とを備える。

それゆえ、単一の固体撮像素子で、前記のような昼間と夜間とのように種々の撮影状況に適応することができるカラーイメージセンサを実現することができる。

［実施の形態１］
図１は、本発明の実施の一形態に係る固体撮像素子１の１画素の断面構造を模式的に示す図である。この画素構造では、第１の導電体であるｐ型の基板２の表面において、素子分離領域３によって１画素分に区画された領域に、光電変換部となる第２の導電体であるｎ型のフォトダイオード４を形成したＣＭＯＳイメージセンサの例を示している。注目すべきは、本実施の形態では、前記各フォトダイオード４の基板深部に、第２の導電体であるｎ型のキャリア排出領域５が埋込まれていることである。そのキャリア排出領域５は、バイアス電圧Ｂを印加するために、基板２の表面のコンタクト部６まで、垂直にｎ型領域７で接続されている。図１では、フォトダイオード４と転送ゲート８との境界部と、キャリア排出領域５の端部とが一致しているが、これに限らない。転送ゲート８によるキャリアのフローティングディフュージョン（以下、ＦＤと略称）９への完全転送が可能であれば、キャリア排出領域５は、図１よりも転送ゲート８方向に延伸されていてもよい。

図２は、前記固体撮像素子１の全体の電気的構成を示す図であり、図３はその１画素分の回路構成を示す図である。これら図２および図３で示す構成と同等の機能を有するものであれば、図に示す構成に限らない。図３を参照して、前記フォトダイオード４で得られた電荷は、前記転送ゲート８にハイレベルの転送パルスφＴＸが与えられることで、転送トランジスタ１１がＯＮしてＦＤ９へ転送され、このＦＤ９における容量で電圧値に変換されて、増幅トランジスタ１２に入力される。増幅トランジスタ１２において、電源電圧ＶＤＤを用いて増幅された電圧は、行選択信号線ＬＨから行選択トランジスタ１３のゲートに選択信号φＶが与えられることで、該行選択トランジスタ１３がＯＮして、垂直信号線ＬＶへ出力される。一方、前記ＦＤ９に蓄積された電荷は、行選択信号線ＬＨからリセットトランジスタ１４のリセットゲート１９へハイレベルのリセットパルスφＲＳＴが与えられることで、該リセットトランジスタ１４がＯＮしてリセット電圧ＶＲＳＢにリセットされる。

図２を参照して、固体撮像素子１には、多数の画素が二次元に配列されており、周縁部に配置された垂直走査回路１５が前記行選択信号線ＬＨに選択出力を与え、それによって各画素から前記垂直信号線ＬＶに出力された電圧は、水平走査回路１６の選択走査によって、読出し回路１７から順次読出される。前記垂直走査回路１５および水平走査回路１６は、シフトレジスタなどで実現される。

前記読出し回路１７は、各列、すなわち前記垂直信号線ＬＶに接続される２つのサンプルホールド回路ＳＨ１，ＳＨ２と、負荷トランジスタＱとを備えて構成される。前記サンプルホールド回路ＳＨ１，ＳＨ２は、スイッチＳ１，Ｓ２と、容量Ｃ１，Ｃ２と、アンプＡ１，Ａ２とを備えて構成される。前記各垂直信号線ＬＶは、スイッチＳ１，Ｓ２を介して容量Ｃ１，Ｃ２に接続され、そのホールド電圧がアンプＡ１，Ａ２を介して引算器１８に与えられる。前記各列の各アンプＡ１，Ａ２は、前記水平走査回路１６によって駆動される。

このような読出し回路１７において、相関二重サンプルを行うために、スイッチＳ１，Ｓ２の一方がＯＮし、各画素に前記転送パルスφＴＸが与えられることで容量Ｃ１，Ｃ２の一方に前記各画素からの出力電圧がホールドされる。また、前記スイッチＳ１，Ｓ２の他方は、各画素に前記リセットパルスφＲＳＴが与えられたときにＯＮし、各画素からの出力電圧がホールドされる。そのホールド電圧は、前記水平走査回路１６によって、各アンプＡ１，Ａ２が一対で選択されて引算器１８に与えられ、こうして引算器１８からは、ノイズの影響の少ない前記相関二重サンプル値が順次出力されてゆく。

図４には、列選択期間内における上述のような画素駆動タイミングを詳細に示す。図４（ａ）は、いわゆるローリングシャッタ駆動におけるタイミングを示す。列選択期間中は、先ずリセットゲート１９をＯＮすることで、ＦＤ９の電位がリセットされる。そのときの電位をスイッチＳ１をＯＮすることで容量Ｃ１にサンプルホールドする。次に、転送ゲート８をＯＮすることでフォトダイオード４の蓄積時間を終了させ、蓄積電荷をＦＤ９に転送する。そのときのＦＤ９の電位をスイッチＳ２をＯＮすることで容量Ｃ２にサンプルホールドする。電荷を転送するためにＯＮした転送ゲート８を転送後にＯＦＦしてから、次のフレームで再び電荷を転送するためにＯＮして再度ＯＦＦするまでの期間が、フォトダイオード４の電荷蓄積期間になる。

一方、図４（ｂ）は、いわゆるグローバルリセット駆動におけるタイミングを示すものである。前記図４（ａ）のローリングシャッタ駆動では、撮像期間のほぼ全期間がフォトダイオード４の電荷蓄積期間となるのに対して、このグローバルリセット駆動では、機械シャッタが併用され、図４（ｂ）で示すように、撮像期間において、シャッタが開放している一部の期間が前記電荷蓄積期間となる。したがって、この電荷蓄積期間のみに前記バイアス電圧Ｂを印加することで、その電荷蓄積期間以降での転送動作や、画素部の回路特性を全画素で安定させることができる。このため、このグローバルリセット駆動では、前記バイアス電圧Ｂの印加期間は、少なくともこの電荷蓄積期間とすればよい。

上述のように構成される固体撮像素子１において、また注目すべきは、前記各画素には、一括して、撮影モード毎に異なるバイアス電圧Ｂが、前記コンタクト部６から与えられることである。図５は、前記１画素のエネルギーポテンシャル分布を示す図である。前記フォトダイオード４は、表面付近のｎ型領域ポテンシャル井戸２１で形成されており、光電変換して発生した電荷はこのポテンシャル井戸２１に蓄積される。この際、波長の短い光は基板２の表面近くで吸収され、波長の長い光は基板２の深い部分まで浸透し吸収される。すなわち、たとえば境界ｄで表すフォトダイオード４のｎ型領域と、その下のｐ型領域２２との境界が浅い位置の場合、波長の長い光の大部分がフォトダイオード４のｎ型領域２１を通り過ぎてしまい、境界ｄより深い部分２３で光電変換され、発生した電荷は境界ｄより深い部分にあるｎ型のキャリア排出領域５を介してバイアス電源へと排出される。これによって、前記波長の長い光に対する感度は低いものとなる。こうして、境界ｄの深さが異なると、観測すべき全波長に対する分光感度が異なることが理解される。

したがって、図６に示すように、バイアス電圧Ｂが低いときのポテンシャル曲線は実線のようになり、これに対してバイアス電圧Ｂが高いときのポテンシャル曲線は破線のようになり、分光感度に影響を与える境界が、バイアス電圧Ｂが低いときは比較的深いｄ１の位置となり、バイアス電圧Ｂが高いときは比較的浅いｄ２の位置となる。すなわち、バイアス電圧Ｂを高くすると境界ｄの位置が浅くなり、分光感度特性における長波長側の感度が低くなる。

これを利用して、前記バイアス電圧Ｂを複数レベルに切換え可能とすることで、分光感度特性も複数レベルに切換え可能となり、被写体の輝度分布や分光分布に応じた画像の再生が可能となる。たとえば、前記固体撮像素子１の各画素領域を図７で示すようなＲＧＢのグループに分割して、各画素領域上にそれに適応したカラーフィルタ３０を被せてフルカラー撮像を可能とするとともに、日中光での撮像を行う固体撮像素子に通常設けられるＩＲカットフィルタを設けず、さらに前記各画素領域のバイアス電圧Ｂを共通に切換えるようにする。そして、昼間撮影時には、前記バイアス電圧Ｂを、図８（ａ）で示すように、おおよそ８００ｎｍ以上の波長において感度を持たないように高く設定する一方、夜間撮像時には、図８（ｂ）で示すように、近赤外領域においても感度を持つように前記バイアス電圧Ｂを低く設定する。

これによって、昼間撮影時はＩＲカットフィルタが有る状態と等価な分光感度特性として良好な色再現性を得ることができ、これに対して夜間撮影時は、前記ＩＲカットフィルタが無い状態と等価な分光感度特性として、各画素にて８００ｎｍ以上の波長領域においても感度を持ち、可視光領域（おおよそ４００〜８００ｎｍの範囲）の光情報が少なく、従来の固体撮像素子では感度不足により画像を再生できないような夜間の被写体においても、良好な感度をもって画像を再生することができるようになる。

図９は、上述のような固体撮像素子１を用いる撮像装置の一例であるカラーイメージセンサ３１の一構成例を示すブロック図である。このカラーイメージセンサ３１は、前記固体撮像素子１へ被写体画像を導く光学系３２と、前記キャリア排出領域５へ撮影モードによって変化するバイアス電圧Ｂを印加する電圧発生部３３と、前記昼間撮影モードにおける分光感度特性に必要な値となるように、或いは夜間撮影モードにおける分光感度特性に必要な値となるように、前記電圧発生部を制御する電圧制御部３４と、前記各画素から得られた出力信号をアナログ／デジタル変換するアナログ／デジタル変換部３５と、デジタル変換された前記出力信号を元に色補間演算を行い、カラー画像を再生する色補間演算部３６を備える画像処理部３７と、該カラーイメージセンサ３１の全体を制御するとともに、前記画像処理部３７で得られたカラー画像を配信するシステム制御部３８と、前記システム制御部３８から出力されたカラー画像を、表示する表示部３９と、適宜記憶する記憶媒体４０と、外部へ出力する外部出力インタフェイス４１と、前記システム制御部３８に、前記昼間と夜間との撮影モードを切換えさせたり、光学系３２のズームやフォーカスなどの指示入力がユーザによって行われる操作部４２とを備えて構成される。

前記システム制御部３８、電圧発生部３３および電圧制御部３４は、バイアス印加手段を構成し、バイアス電圧Ｂ、すなわち撮影モードの切換えは、操作部４２からの使用者の手動切換え操作によって行われてもよく、あるいは固体撮像素子１の撮像画像や別途設けた輝度計の出力などに応じて自動的に行われてもよい。また、前記撮影モードは、前記昼間と夜間との２つに限らず、タングステン光等、他のモードが設定されていてもよく、或いは光源の色温度等に応じて前記バイアス電圧Ｂを連続可変とするようにしてもよい。

前記電圧発生部３３、電圧制御部３４、アナログ／デジタル変換部３５および前記色補間演算部３６を備える画像処理部３７の一部もしくは全部が、固体撮像素子１内に設けられていてもよい。前記カラーフィルタ３０の色配置、すなわち各画素領域のグループ分けは、前記図７で示す態様以外であってもよい。前記カラーフィルタ３０は、ＲＧＢ以外の組合わせであってもよい。

このようにして、固体撮像素子１の分光感度分布を積極的に操作することで、簡便な構成で種々の撮影状況に適応することができるカラーイメージセンサ３１を実現することができる。

なお、図８の例では、ＩＲカットフィルタが設けられていないけれども、ＩＲカットフィルタを設けるようにしてもよい。図１０は、その場合の夜間撮影時におけるカラーイメージセンサの分光感度特性を示すグラフである。昼間撮影時には、その設けられたＩＲカットフィルタのカット域に対して、前記図８（ａ）で示すバイアス電圧Ｂの調整による分光感度を有する領域が狭いので、このバイアス電圧Ｂによる分光感度特性がＩＲカットフィルタを含めての分光感度特性となる。

これに対して、夜間撮像時には、前記ＩＲカットフィルタによって、８００ｎｍ以上の波長領域の透過特性がほぼ０に抑制される。この場合、昼間撮像時の分光感度特性に比較すると、近赤外領域感度が向上するのは主にＲの画素領域であることが理解される。すなわち、Ｂの画素領域およびＧの画素領域も感度は向上しているが、Ｒの画素領域程ではない。したがって、夜間撮像時に、図８（ｂ）で示すＩＲカットフィルタ無しで全色画素の近赤外領域感度を向上させる場合よりも、この図１０で示すＩＲカットフィルタを介在する方が、可視光領域の被写体に対して、良好な色再現性を得ることができる。

また、図８の例では、総ての画素のバイアス電圧Ｂを切換えているが、昼間撮影時の色再現性を確保しつつ、夜間撮影時の感度を高めるために、少なくとも１色のグループの画素のみ、バイアス電圧Ｂの切換えを行うようにしてもよい。図１１は、その場合の夜間撮影時におけるカラーイメージセンサの分光感度特性を示すグラフである。昼間撮影時には、前記図８（ａ）で示すように、バイアス電圧Ｂは、共通に、おおよそ８００ｎｍ以上の波長において感度を持たないように高く設定される。これに対して、夜間撮像時には、図１１の例では、Ｒの画素のみバイアス電圧Ｂが低く設定され、近赤外領域においても感度を持つようになっている。

これによって、夜間撮影時は前記Ｒの画素領域だけがＩＲカットフィルタが無い状態と等価な分光感度特性となって、前記図８（ｂ）のようにＧおよびＢの画素領域もバイアス電圧Ｂを変化させた場合に比べて、多少の感度低下はあるものの、比較的明るい可視光領域の被写体が存在する部分では前記色再現性が大きく崩れることを防止することができる。

［実施の形態２］
図１２は、本発明の実施の他の形態に係るカラーイメージセンサの分光感度特性を示すグラフである。このカラーイメージセンサには、前述の図１で示す固体撮像素子１に、図９で示すカラーイメージセンサ３１の構成を用いることができ、対応する部分には同一の参照符号を付して示し、その説明を省略する。注目すべきは、本実施の形態では、前記固体撮像素子１の各画素領域が、たとえば前記図７で示すようなグループに分割されており、各グループの画素領域に相互に異なるバイアス電圧Ｂを与える、すなわち分光感度特性をグループ毎に切換えることである。したがって、図７で示すようなフルカラー撮像を行う場合、前記カラーフィルタ３０は、設けられていても、或いは設けられていなくてもよく、またその場合、前記ＩＲカットフィルタも、設けられていても、或いは設けられていなくてもよい。

図１２（ａ）の例では、第１のグループには５５０ｎｍ以上で感度が低下するようにバイアス電圧Ｂを最も高く設定してＢの帯域に感度を有するように設定し、第２のグループには６００ｎｍ以上で感度が低下するようにバイアス電圧Ｂを次に高く設定してＢの帯域およびＧの帯域に共に感度を有するように設定し、第３のグループには７００ｎｍ以上で感度が低下するようにバイアス電圧Ｂを最も低く設定してＢの帯域、Ｇの帯域およびＲの帯域に共に感度を有するように設定している。これによって、昼間撮影時にフルカラー撮像を行うことができる。

一方、夜間撮影時には、図１２（ｂ）で示すように、少なくとも１つのグループ（図１２（ｂ）の例ではＲの帯域まで感度を有する第３のグループ）のバイアス電圧Ｂをさらに低下させることで、感度を１０００ｎｍ付近まで延ばしている。これによって、近赤外領域の感度が向上し、夜間撮像に適した分光感度となる。

こうして、バイアス電圧Ｂを調整するだけで、昼間撮影時にはフルカラー撮像などの複数カラーでの撮像が可能になるとともに、夜間撮影時には充分な感度をもって画像を再生することができるようになる。

［実施の形態３］
図１３は、本発明の実施のさらに他の形態に係るイメージセンサの分光感度特性を示すグラフである。このイメージセンサにも、前述の図１で示す固体撮像素子１に、図９で示すイメージセンサ３１の構成を用いることができ、対応する部分には同一の参照符号を付して示し、その説明を省略する。注目すべきは、本実施の形態では、前記固体撮像素子１の各画素領域には、共通のバイアス電圧Ｂが与えられるとともに、図７で示すようなカラーフィルタ３０も設けられず、すなわち全画素の分光感度特性が同一であるモノクロ撮影を行うことである。前記ＩＲカットフィルタは、設けられていても、設けられていなくてもよい。

図１３（ａ）は、昼間撮影時の分光感度特性を示すグラフであり、人間の目で見えている被写体像に近いモノクロ撮像が可能となっている。一方、図１３（ｂ）は、夜間撮影時の分光感度特性を示すグラフであり、近赤外領域の感度が向上しているので、充分な感度を有することができる。もし、昼間撮影時においてもこの夜間撮影時の分光感度特性を用いて撮像すれば、人間の目では見えない近赤外光に対しても感度を有するので、温度が高い被写体などを可視光で明るい被写体と同様に撮像し、人間の目で見た被写体像と異なった画像を再生することになる。本実施の形態に、前述の図９で示すイメージセンサ３１の構成を用いる場合には、画像処理部３７の色補間演算部３６は機能しなくてよい。

本発明の実施の一形態に係る固体撮像素子の１画素の断面構造を模式的に示す図である。 前記固体撮像素子の全体の電気的構成を示す図である。 図２の１画素分の回路構成を示す図である。 画素駆動のタイミングを詳細に示す波形図である。 １画素のエネルギーポテンシャル分布を示す図である。 バイアス電圧を変化させた場合のエネルギーポテンシャル分布を示す図である。 前記固体撮像素子に被せられるカラーフィルタの一例を示す図である。 本発明の実施の一形態に係るカラーイメージセンサの分光感度特性を示すグラフである。 前記固体撮像素子を用いるカラーイメージセンサの一構成例を示すブロック図である。 図８で示す特性のＩＲカットフィルタによる変化を示すグラフである。 本発明の実施の一形態に係るカラーイメージセンサの他の分光感度特性を示すグラフである。 本発明の実施の他の形態に係るカラーイメージセンサの分光感度特性を示すグラフである。 本発明の実施のさらに他の形態に係るイメージセンサの分光感度特性を示すグラフである。

符号の説明

１ 固体撮像素子
２ 基板
３ 素子分離領域
４ フォトダイオード
５ キャリア排出領域
６ コンタクト部
７ ｎ型領域７
８ 転送ゲート
９ フローティングディフュージョン
１１ 転送トランジスタ
１２ 増幅トランジスタ
１３ 行選択トランジスタ
１４ リセットトランジスタ
１５ 垂直走査回路
１６ 水平走査回路
１７ 読出し回路
１８ 引算器
１９ リセットゲート
３０ カラーフィルタ
３１ カラーイメージセンサ
３２ 光学系
３３ 電圧発生部
３４ 電圧制御部
３５ アナログ／デジタル変換部
３６ 色補間演算部
３７ 画像処理部
３８ システム制御部
３９ 表示部
４０ 記憶媒体
４１ 外部出力インタフェイス
４２ 操作部
Ｑ 負荷トランジスタ

Claims (9)

1. 基板上に二次元に配列された複数の各画素領域に、それぞれ光電変換部を有して成る固体撮像素子において、
   前記光電変換部の基板深部に設けられるキャリア排出領域と、
   被写体の輝度分布や分光分布に応じて前記キャリア排出領域へ印加するバイアス電圧を変化することで、前記光電変換部の表層側からキャリア排出領域にかけて、エネルギーポテンシャル分布を変化させ、そのエネルギーポテンシャル分布の変化によって前記被写体の輝度分布や分光分布に適応した分光感度特性を実現するバイアス印加手段とを含むことを特徴とする固体撮像素子。
2. 前記基板は第１の導電体から成り、前記光電変換部およびキャリア排出領域は第２の導電体から成ることを特徴とする請求項１記載の固体撮像素子。
3. 前記各領域は、前記光電変換部と、フローティングディフュージョンと、転送トランジスタと、増幅トランジスタと、行選択トランジスタとを有するＣＭＯＳイメージセンサから成ることを特徴とする請求項１または２記載の固体撮像素子。
4. 前記各画素領域は、複数のグループに分割されて、前記光電変換部上にそれぞれ適応したカラーフィルタを有し、
   前記バイアス印加手段は、各グループの画素領域に共通のバイアス電圧を与え、前記被写体が、高輝度や短波長成分が多い分光分布であるときには前記バイアス電圧を高く設定し、低輝度や長波長成分が多い分光分布であるときには前記バイアス電圧を低く設定することを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の固体撮像素子。
5. 前記各画素領域は、複数のグループに分割されて、前記光電変換部上にそれぞれ適応したカラーフィルタを有し、
   前記バイアス印加手段は、少なくとも１つのグループの画素領域に対して、前記被写体が、高輝度や短波長成分が多い分光分布であるときには前記バイアス電圧を高く設定し、低輝度や長波長成分が多い分光分布であるときには前記バイアス電圧を低く設定することを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の固体撮像素子。
6. 前記各画素領域は、複数のグループに分割されており、
   前記バイアス印加手段は、少なくとも一部のグループ間で相互に異なるバイアス電圧を与えることで、カラー撮像を可能にすることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の固体撮像素子。
7. 前記各画素領域は、さらにＩＲカットフィルタを有することを特徴とする請求項４〜６のいずれか１項に記載の固体撮像素子。
8. 前記バイアス印加手段は、前記各画素領域に共通のバイアス電圧を与え、前記被写体が、高輝度や短波長成分が多い分光分布であるときには前記バイアス電圧を高く設定し、低輝度や長波長成分が多い分光分布であるときには前記バイアス電圧を低く設定することを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の固体撮像素子。
9. 前記請求項１〜８のいずれか１項に記載の固体撮像素子を用い、
   前記固体撮像素子へ被写体画像を導く光学系と、
   前記各画素から得られた出力信号をアナログ／デジタル変換するアナログ／デジタル変換部と、
   デジタル変換された前記出力信号を元に色補間演算を行い、カラー画像を再生する色補間演算部を備える画像処理部とを備えて構成されることを特徴とする撮像装置。

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