JP2016058866A - 撮像素子および内視鏡装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】ハイブリッド構造の撮像素子において、興味の波長に対応した蛍光画像を高精度に撮像することができる。【解決手段】第１基板１０１と、第２基板１０２と、第１画素１０６−１〜１０６−ｎと、第１画素１０６−１〜１０６−ｎを透過した光が照射される第２画素１０４−１〜１０４−ｎとを備え、第２画素１０４−１〜１０４−ｎは、受光面と平行な第１ＰＮ接合面１０４１−１〜１０４１−ｎと、受光面と平行で第１ＰＮ接合面１０４１−１〜１０４１−ｎよりも深い位置に存在する第２ＰＮ接合面１０４２−１〜１０４２−ｎとを有し、第２ＰＮ接合面１０４２−１〜１０４２−ｎで得られた電荷から第２波長帯域の光に応じた第２信号を生成する。【選択図】図１

Description

本発明は、撮像素子および内視鏡装置に関する。
近年、内視鏡などの医療応用の分野で、癌などの病巣や血流の観察に人体に投与可能な蛍光薬剤が応用されている。人体に投与可能な蛍光薬剤で最も一般的なものがＩＣＧ（インドシアニングリーン）という赤外で励起、蛍光を発する蛍光薬剤である。
通常の可視画像とＩＣＧの蛍光波長の赤外画像を同時に撮像することを可能にした技術が知られている（例えば、特許文献１参照）。図１４は従来知られている、通常の可視画像とＩＣＧの蛍光波長の赤外画像を同時に撮像することを可能にした蛍光内視鏡装置の構成を示したブロック図である。図１４に示す例では、蛍光内視鏡装置１Ａは、ダイクロイックミラー２２を用いて、ＲＧＢの撮像素子２６，２７，２８に可視光を入射する。これにより、ＲＧＢの撮像素子２６，２７，２８は画像信号を生成する。赤外光成分は、ダイクロイックミラー２２で反射され、励起光カットフィルタ２３を透過し、赤外の撮像素子２５に入射される。これにより、赤外の撮像素子２５は、ＩＣＧ蛍光画像信号を生成する。
図１５は、従来知られている蛍光内視鏡装置１Ａの光源装置３Ａ内に配置されたバンドパスフィルタ１２の特性を示したグラフである。線１５０１は、バンドパスフィルタ１２の透過率を示した線である。この特性により、バンドパスフィルタ１２は、キセノン光源１１の光の可視成分とＩＣＧ蛍光物質の励起波長成分を透過し、被写体に照射する。
図１６は、従来知られている蛍光内視鏡装置１Ａのダイクロイックミラー２２の特性を示したグラフである。線１６０１は、ダイクロイックミラー２２の透過率を示した線である。この特性により、ダイクロイックミラー２２は、可視成分を透過し、赤外成分は反射するようになっている。
図１７は、従来知られている蛍光内視鏡装置１Ａの励起光カットフィルタ２３の特性を示したグラフである。線１７０１は、励起光カットフィルタ２３の透過率を示した線である。この特性により、励起光カットフィルタ２３は、ＩＣＧ蛍光物質の蛍光波長より長い波長の成分のみを透過し、赤外の撮像素子２５が蛍光像のみを撮像できるようになっている。
図１８は、従来知られているＩＣＧ蛍光物質の励起波長、蛍光波長の特性を示したグラフである。線１８０１は、励起光の強度を示した線である。線１８０２は、蛍光の強度を示した線である。ＩＣＧ蛍光画像信号を生成するには、光源により被写体に照射された励起波長成分を除去して蛍光波長成分のみの光を撮像素子で撮像することが必要である。
以上の構成により、蛍光内視鏡装置１Ａは、ダイクロイックミラー２２により可視と赤外を分離して、励起カットフィルタ２３を透過することで可視像と蛍光像を同時に撮像することが可能である。なお、蛍光内視鏡装置１Ａは、光源装置３Ａから可視成分、レーザー光源７から励起光成分の光を被写体に照射して撮像出来るシステムになっている。
また、ハイブリッドＰＤ−ＰＤイメージャに関する技術が知られている（例えば、特許文献２参照）。図１９は、従来知られている、撮像素子を２層積層し、上層を透過した光を用いて下層でも撮像を行うハイブリッド構造の撮像素子を示した断面図である。図１９に示す例では、第１基板２２１と第２基板２２２とが積層されている。上層の第１基板２２１には、第１フォトダイオード２２３−１〜２２３−ｎが形成されている。下層の第２基板２２２には、第２フォトダイオード２２４−１〜２２４−ｎが形成されている。
この構成により、上層の第１基板２２１に形成された第１フォトダイオード２２３−１〜２２３−ｎを透過した光を、下層の第２基板２２２に形成された第２フォトダイオード２２４−１〜２２４−ｎで受光することができる。よって、第１基板２２１に形成された第１フォトダイオード２２３−１〜２２３−ｎと、第２基板２２２に形成された第２フォトダイオード２２４−１〜２２４−ｎとで同時に撮像することができる。
ＣＣＤ、ＣＭＯＳ撮像素子として広く使われている材料であるシリコンに入射する光は、波長が長いものほど深いところで吸収される。従って、図１９のようなハイブリッドＰＤ−ＰＤイメージャで第１基板をＢＳＩのように薄いイメージセンサにすると、図１８のグラフに記載のＩＣＧ蛍光波長のように長い波長の成分は第１基板２２１を透過して第２基板２２２で撮像できる。この場合、図１４に記載の構成に比べてダイクロイックミラーが不要になり、カメラヘッドの小型化を可能にできる。
特許第３９６２１２２号公報 米国特許出願公開第２０１３／００７５６０７号明細書
しかしながら、従来知られている技術では次のような課題がある。図２０は、従来知られているＩＣＧ蛍光特性と積層撮像素子の特性を示したグラフである。線１０８１は、励起光の透過利率を示した線である。線１０８２は、蛍光の透過利率を示した線である。線１０８３は、第１基板２２１を透過する光の透過利率を示した線である。
図２０に示したグラフによれば、第１基板２２１を透過する光は、６００〜８００ｎｍにおいて大きく減衰しているものの、無視できない量の光が下層に届いてしまっている。この６００〜８００ｎｍの波長の光は、ＩＣＧの蛍光波長の検出を目的とする第２基板２２２での撮像には不要なものである。しかし、これを除去するために、第１基板２２１と第２基板２２２の層間に８００ｎｍ以下の光をカットするカラーフィルタを配置する必要がある。しかしながら、第１基板２２１と第２基板２２２の層間に８００ｎｍ以下の光をカットするカラーフィルタを配置することは、製造上の難しさがあるという問題がある。
本発明は上記の問題を解決するためになされたものであり、ハイブリッド構造の撮像素子において、興味の波長に対応した蛍光画像を高精度に撮像することができる撮像素子および内視鏡装置を提供することを目的とする。
本発明の一態様は、第１基板と、前記第１基板に積層された第２基板と、前記第１基板に行列状に配置され、第１受光素子を各々有し、可視帯域を含む第１波長帯域と前記第１波長帯域よりも波長が長い近赤外域を含む第２波長帯域の入射光が照射され、前記第１波長帯域の光に応じた第１信号を生成する第１画素と、前記第２基板に行列状に配置され、前記第１画素を透過した光が照射される第２画素と、を備え、前記第２画素は、受光面と平行な第１ＰＮ接合面と、前記受光面と平行で前記第１ＰＮ接合面よりも深い位置に存在する第２ＰＮ接合面とを有し、前記第２ＰＮ接合面で得られた電荷から前記第２波長帯域の光に応じた第２信号を生成することを特徴とする撮像素子である。
また、本発明の他の態様は、第１基板と、前記第１基板に積層された第２基板と、前記第１基板に行列状に配置され、第１受光素子を各々有し、可視帯域を含む第１波長帯域と前記第１波長帯域よりも波長が長い近赤外域を含む第２波長帯域の入射光が照射され、前記第１波長帯域の光に応じた第１信号を生成する第１画素と、前記第２基板に行列状に配置され、前記第１画素を透過した光が照射される第２画素と、を備え、前記第１画素は、受光面と平行な第１ＰＮ接合面と、前記受光面と平行で前記第１ＰＮ接合面よりも深い位置に存在する第２ＰＮ接合面とを有し、前記第２ＰＮ接合面で得られた電荷から前記第２波長帯域の光に応じた第２信号を生成することを特徴とする撮像素子である。
また、本発明の他の態様の撮像素子において、前記第１ＰＮ接合面は、前記第１波長帯域の波長を含む光で電荷を生成することを特徴とする。
また、本発明の他の態様の撮像素子において、前記第１ＰＮ接合面のＰ型層とＮ型層を同電位で接続することを特徴とする。
また、本発明の他の態様の撮像素子において、前記第１ＰＮ接合面で生成した第３信号を用いて前記第１信号を補正することを特徴とする。
また、本発明の他の態様の撮像素子において、前記第３信号を用いて、前記第１画素と前記第２画素とに入射する光の光量を制御することを特徴とする。
また、本発明の他の態様は、第１基板と、前記第１基板に積層された第２基板と、前記第１基板に行列状に配置され、第１受光素子を各々有し、可視帯域を含む第１波長帯域と前記第１波長帯域よりも波長が長い近赤外域を含む第２波長帯域の入射光が照射され、前記第１波長帯域の光に応じた第１の信号を生成する第１画素と、前記第２基板に行列状に配置され、前記第１画素を透過した光が照射される第２画素と、を備え、前記第２画素は、受光面と平行な第１ＰＮ接合面と、前記受光面と平行で前記第１ＰＮ接合面よりも深い位置に存在する第２ＰＮ接合面とを有し、前記第２ＰＮ接合面で得られた電荷から前記第２波長帯域の光に応じた第２信号を生成し、前記第１画素は、受光面と平行な第３ＰＮ接合面と、前記受光面と平行で前記第３ＰＮ接合面よりも深い位置に存在する第４ＰＮ接合面とを有し、前記第４ＰＮ接合面で得られた電荷から前記第２波長帯域の光に応じた第４信号を生成することを特徴とする撮像素子である。
また、本発明の他の態様は、インドシアニングリーン誘導体標識抗体からなる蛍光物質を被検査対象物に投与して内視鏡による診断を行う内視鏡装置において、撮像素子を備え、前記第１画素の受光面側に、可視帯域と蛍光物質の近赤外の蛍光波長帯域とを透過し、蛍光波長帯域と近接した励起波長帯域成分を透過しない光学フィルタが配置され、前記第１の波長帯域は可視帯域を含み、前記第２の波長帯域は蛍光物質の蛍光帯域を含むことを特徴とする内視鏡装置である。
また、本発明の他の態様の内視鏡装置において、前記第１信号から可視帯域の第１画像が作成され、前記第２信号から蛍光波長帯域の第２画像が作成され、前記第１基板と、前記第２基板と、前記光学フィルタとは、内視鏡先端部に配置されることを特徴とする。
本発明によれば、第１基板と、第１基板に積層された第２基板と、第１基板に行列状に配置され、第１受光素子を各々有し、可視帯域を含む第１波長帯域と第１波長帯域よりも波長が長い近赤外域を含む第２波長帯域の入射光が照射され、第１波長帯域の光に応じた第１信号を生成する第１画素と、第２基板に行列状に配置され、第１画素を透過した光が照射される第２画素と、を備える。また、第２画素は、受光面と平行な第１ＰＮ接合面と、受光面と平行で第１ＰＮ接合面よりも深い位置に存在する第２ＰＮ接合面とを有し、第２ＰＮ接合面で得られた電荷から第２波長帯域の光に応じた第２信号を生成する。従って、ハイブリッド構造の撮像素子において、興味の波長に対応した蛍光画像を高精度に撮像することができる。
本発明の第１の実施形態における撮像素子の断面を示した断面図である。 本発明の第１の実施形態におけるカラーフィルタの配列を示した概略図である。 本発明の第１の実施形態において、励起光と、蛍光と、第１基板を透過する光と、第１ＰＮ接合面が検出する光と、第２ＰＮ接合面が検出する光との特性を示したグラフである。 本発明の第１の実施形態における撮像素子の構成を示したブロック図である。 本発明の第１の実施形態における撮像素子の駆動タイミングを示したタイミングチャートである。 本発明の第２の実施形態における撮像素子の断面を示した断面図である。 本発明の第２の実施形態において、励起光と、蛍光と、第１基板を透過する光と、第２ＰＮ接合面が検出する光との特性を示したグラフである。 本発明の第３の実施形態における撮像素子の断面を示した断面図である。 本発明の第４の実施形態における撮像素子の構成を示したブロック図である。 本発明の第５の実施形態における撮像素子の構成を示した概略図である。 本発明の第５の実施形態において、ＩＣＧフィルタの分光特性を示したグラフである。 本発明の第６の実施形態における内視鏡装置の構成を示したブロック図である。 本発明の第７の実施形態における撮像素子の構成を示したブロック図である。 従来知られている、通常の可視画像とＩＣＧの蛍光波長の赤外画像を同時に撮像することを可能にした蛍光内視鏡装置の構成を示したブロック図である。 従来知られている蛍光内視鏡装置の光源装置に配置されたバンドパスフィルタの特性を示したグラフである。 従来知られている蛍光内視鏡装置のダイクロイックミラーの特性を示したグラフである。 従来知られている蛍光内視鏡装置の励起光カットフィルタの特性を示したグラフである。 従来知られているＩＣＧ蛍光物質の励起波長、蛍光波長の特性を示したグラフである。 従来知られている、撮像素子を２層積層し、上層を透過した光を用いて下層でも撮像を行うハイブリッド構造の撮像素子を示した断面図である。 従来知られているＩＣＧ蛍光特性と積層撮像素子の特性を示したグラフである。
（第１の実施形態）
以下、本発明の第１の実施形態について図面を参照して説明する。初めに、撮像素子１００の構成について説明する。図１は、本実施形態における撮像素子１００の断面を示した断面図である。図示する例では、撮像素子１００は、第１基板１０１と、第２基板１０２と、第１フォトダイオード１０３−１〜１０３−ｎ（第１受光素子）と、第２画素１０４−１〜１０４−ｎ（第２フォトダイオード、第２受光素子）と、カラーフィルタ１０５−１〜１０５−ｎとを備えている。また、入射光が照射される側を受光面とする。
第１基板１０１と、第２基板１０２とは積層されている。第１基板１０１および第２基板１０２はシリコン基板である。また、第１基板１０１は入射された光のうち、一部の光を透過する。
第１フォトダイオード１０３−１〜１０３−ｎは、第１基板１０１内に配置されている。カラーフィルタ１０５−１〜１０５−ｎは、赤色の光を透過するフィルタ（Ｒ）、または、緑色の光を透過するフィルタ（Ｇ）、または、青色の光を透過するフィルタ（Ｂ）のいずれかであり、第１フォトダイオード１０３−１〜１０３−ｎの受光面側に配置されている。すなわち、第１フォトダイオード１０３−１〜１０３−ｎ上にオンチップのＲＧＢカラーフィルタ１０５−１〜１０５−ｎが配置されている。カラーフィルタ１０５−１〜１０５−ｎの配置については後述する。
なお、カラーフィルタ１０５−１〜１０５−ｎは、赤色の光を透過するフィルタ（Ｒ）であっても、緑色の光を透過するフィルタ（Ｇ）であっても、青色の光を透過するフィルタ（Ｂ）であっても、赤外波長の光も透過する。また、一般的には、デジタルカメラ用の撮像素子などでは受光面側にＩＲカットフィルタ（赤外光カットフィルタ）を設けるが、本実施形態ではＩＲカットフィルタを用いない。
本実施形態では、各第１フォトダイオード１０３−１〜１０３−ｎと、各カラーフィルタ１０５−１〜１０５−ｎとの組を第１画素１０６−１〜１０６−ｎとする。例えば、第１フォトダイオード１０３−１とカラーフィルタ１０５−１との組を第１画素１０６−１とする。第１フォトダイオード１０３−１〜１０３−ｎは、露光量に応じた第１信号を出力する。
第２画素１０４−１〜１０４−ｎは、第２基板１０２内に配置されている。また、第２画素１０４−１〜１０４−ｎは、Ｐ型層であるＰ１１〜Ｐ１ｎと、Ｎ型層であるＮ１〜Ｎｎと、Ｐ型層であるＰ２１〜Ｐ２ｎとをそれぞれ含み、受光面と平行な第１ＰＮ接合面１０４１−１〜１０４１−ｎと、受光面と平行で第１ＰＮ接合面１０４１−１〜１０４１−ｎよりも深い位置に存在する第２ＰＮ接合面１０４２−１〜１０４２−ｎとを有する。この構成により、第２画素１０４−１〜１０４−ｎは、第２ＰＮ接合面１０４２−１〜１０４２−ｎで得られた電荷から第２信号を生成する。また、第２画素１０４−１〜１０４−ｎは、第１ＰＮ接合面１０４１−１〜１０４１−ｎで得られた電荷から第３信号を生成する。
次に、カラーフィルタ１０５の配列について説明する。図２は、本実施形態におけるカラーフィルタ１０５の配列を示した概略図である。図２に示す例では、第１基板１０１には、６行６列の二次元状に規則的に配列された計３６個の第１画素１０６が含まれている。また、第２基板１０２には、６行６列の二次元状に規則的に配列された計３６個の第２画素１０４が含まれている。図２に示すとおり、第１基板１０１には、ベイヤ配列でカラーフィルタ１０５（カラーフィルタＲ、カラーフィルタＧ、カラーフィルタＢ）が配列されている。第２画素１０４には、第１画素１０６を透過した、赤外光を含む光が照射される。このような画素配置により、第１基板１０１では可視画像を、第２基板１０２では赤外画像を同時に撮像することが可能になる。
なお、第１基板１０１に含まれる第１画素１０６と第２基板１０２に含まれる第２画素１０４との数および配列は、図２に示す例に限らず、どのような数および配列でもよい。また、図２に示す例では、第１画素１０６の下に第２画素１０４を対応して配置しているが、これに限らず、画素サイズを第１画素１０６に比べて第２画素１０４は整数倍にするなどの工夫も可能である。
図３は、本実施形態において、励起光と、蛍光と、第１基板１０１を透過する光と、第１ＰＮ接合面１０４１−１〜１０４１−ｎが検出する光と、第２ＰＮ接合面１０４２−１〜１０４２−ｎが検出する光との特性を示したグラフである。グラフの横軸は波長（ｎｍ）を示す。グラフの縦軸は透過利率（％）を示す。線３０１は、励起光の特性を示した線である。線３０２は、蛍光の特性を示した線である。線３０３は、第１基板１０１を透過する光の特性を示した線である。線３０４は、第１ＰＮ接合面１０４１−１〜１０４１−ｎが検出する光の特性を示した線である。線３０５は、第２ＰＮ接合面１０４２−１〜１０４２−ｎが検出する光の特性を示した線である。
本実施形態では、第２基板１０２に配置される第２画素１０４は、第１ＰＮ接合面１０４１−１〜１０４１−ｎと、第１ＰＮ接合面１０４１−１〜１０４１−ｎよりも深い位置に存在する第２ＰＮ接合面１０４２−１〜１０４２−ｎとを有する。この構成により、第２ＰＮ接合面１０４２−１〜１０４２−ｎは、第１基板１０１と、第１ＰＮ接合面１０４１−１〜１０４１−ｎとを透過した光（図３の領域３０６の光）を検出することができる。
これにより、第２ＰＮ接合面１０４２−１〜１０４２−ｎは、第１基板１０１や、浅い側の層に存在する第１ＰＮ接合面１０４１−１〜１０４１−ｎで不要な励起光成分（６００〜８００ｎｍの波長の光）のより多くを除いた蛍光成分を検出し、第２波長帯域の光に応じた第２信号を生成することができる。従って、撮像素子１００は、蛍光物質に照射した励起光成分や、可視成分を除去することができ、興味の波長（蛍光波長（８６０ｎｍ））の画像を高いＳ／Ｎで取得することができる。
次に、撮像素子１００の構成について説明する。図４は、本実施形態における撮像素子１００の構成を示したブロック図である。撮像素子１００は、駆動部４０１と、第１画素／信号読み出し部４０２と、第２画素／信号読み出し部４０３と、信号処理部４０４と、信号出力端子４０５とを備えている。駆動部４０１は、制御信号を送信し、第１画素／信号読み出し部４０２と、第２画素／信号読み出し部４０３とを駆動する。第１画素／信号読み出し部４０２は、第１画素１０６−１〜１０６−ｎを含み、第１画素１０６−１〜１０６−ｎが生成した第１信号を読み出し、信号処理部４０４に対して出力する。第２画素／信号読み出し部４０３は、第２画素１０４−１〜１０４を含み、第２画素１０４−１〜１０４−ｎが生成した第２信号を読み出し、信号処理部４０４に対して出力する。
信号処理部４０４は、第１画素／信号読み出し部４０２から入力された第１信号に基づいて、第１画像を生成する。第１信号は、赤色の光の強度に応じたＲ信号と、緑色の光の強度に応じたＧ信号と、青色の光の強度に応じたＢ信号である。すなわち、第１信号はＲＧＢ信号である。よって、信号処理部４０４が生成する第１画像は、ＲＧＢ画像である。また、信号処理部４０４は、第２画素／信号読み出し部４０３から入力された第２信号に基づいて、第２画像を生成する。第２信号は、８３０ｎｍを中心とする光の強度に応じた蛍光信号である。よって、信号処理部４０４が生成する第２画像は、蛍光画像である。また、信号処理部４０４は、生成した第１画像と第２画像とを信号出力端子４０５から出力する。なお、信号処理部４０４は、例えばノイズ低減や、ＲＧＢ画像、蛍光画像の重畳などの画像処理を行うようにしてもよい。
次に、撮像素子１００の駆動方法について説明する。図５は、本実施形態における撮像素子１００の駆動タイミングを示したタイミングチャートである。図示する例では、第１画素１０６の駆動タイミングを示したタイミングチャート５０１と、第２画素１０４の駆動タイミングを示したタイミングチャート５０２とを示している。なお、タイミングチャートの横軸は時間である。
図示する通り、本実施形態では、第１画素１０６の電荷蓄積時間（露光時間）は、第２画素１０４の電荷蓄積時間（露光時間）よりも長い。これは、第２画素１０４には、第１画素１０６を透過した光のみが照射されるため、第２画素１０４に照射される光量が第１画素１０６に照射される光量よりも小さいためである。なお、本実施形態では、ＲＧＢ画像と蛍光画像とのフレームレートが同一のフレームレートとなるように、各画素から信号を読み出す時間である読み出し時間を設定している。
上述したとおり、本実施形態によれば、第１基板１０１と第２基板１０２とを積層している。また、第２基板１０２は、第１基板１０１の受光面側から見て、第１基板１０１と重複する位置かつ第１基板１０１の受光面側とは反対側に配置されている。また、第１基板１０１は光を透過する。また、第１基板１０１を透過した光は、第２基板１０２に照射される。
これにより、第１基板１０１の第１画素１０６と、第２基板１０２の第２画素１０４とは同時に露光することができる。すなわち、第１画素１０６による第１信号の生成と、第２画素１０４による第２信号の生成とを同時に行うことができる。従って、信号処理部４０４は、第１信号に基づいた第１画像（ＲＧＢ画像）と、第２信号に基づいた第２画像（蛍光画像）とを同時に生成することができる。
また、本実施形態によれば、第２基板１０２に配置される第２画素１０４は、第１ＰＮ接合面１０４１−１〜１０４１−ｎと、第１ＰＮ接合面１０４１−１〜１０４１−ｎよりも深い位置に存在する第２ＰＮ接合面１０４２−１〜１０４２−ｎとを有する。この構成により、第２ＰＮ接合面１０４２−１〜１０４２−ｎは、第１基板１０１と、第１ＰＮ接合面１０４１−１〜１０４１−ｎとを透過した光を検出することができる。
これにより、第２ＰＮ接合面１０４２−１〜１０４２−ｎは、第１基板１０１や、浅い側の層に存在する第１ＰＮ接合面１０４１−１〜１０４１−ｎで不要な光の成分のより多くを除いた蛍光成分を検出し、第２波長帯域の光に応じた第２信号を生成することができる。従って、撮像素子１００は、蛍光物質に照射した励起光成分や、可視成分を除去することができ、興味の波長に対応した蛍光画像を高精度に撮像することができる。
（第２の実施形態）
次に、本発明の第２の実施形態について説明する。第１の実施形態における撮像素子１００と本実施形態における撮像素子とで異なる点は、第１基板が有する第１フォトダイオードの構成である。なお、その他の構成は、第１の実施形態と同様である。
図６は、本実施形態における撮像素子６００の断面を示した断面図である。図示する例では、撮像素子６００は、第１基板６０１と、第２基板１０２と、第１フォトダイオード６０３−１〜６０３−ｎ（第１受光素子）と、第２画素１０４−１〜１０４−ｎ（第２フォトダイオード、第２受光素子）と、カラーフィルタ１０５−１〜１０５−ｎとを備えている。また、入射光が照射される側を受光面とする。
第１基板６０１と、第２基板１０２とは積層されている。第１基板６０１および第２基板１０２はシリコン基板である。また、第１基板６０１は入射された光のうち、一部の光を透過する。
第１フォトダイオード６０３−１〜６０３−ｎは、第１基板６０１内に配置されている。また、第１フォトダイオード６０３−１〜６０３−ｎは、Ｐ型層である１Ｐ１１〜１Ｐ１ｎと、Ｎ型層である１Ｎ１〜１Ｎｎと、Ｐ型層である１Ｐ２１〜１Ｐ２ｎとをそれぞれ含み、受光面と平行な第１ＰＮ接合面６０３１−１〜６０３１−ｎと、受光面と平行で第１ＰＮ接合面６０３１−１〜６０３１−ｎよりも深い位置に存在する第２ＰＮ接合面６０３２−１〜６０３２−ｎとを有する。この構成により、第１フォトダイオード６０３−１〜６０３−ｎは、第２ＰＮ接合面６０３２−１〜６０３２−ｎで得られた電荷から第２信号を生成する。また、第１フォトダイオード６０３−１〜６０３−ｎは、第１ＰＮ接合面６０３１−１〜６０３１−ｎで得られた電荷から第１信号を生成する。
カラーフィルタ１０５−１〜１０５−ｎは、赤色の光を透過するフィルタ（Ｒ）、または、緑色の光を透過するフィルタ（Ｇ）、または、青色の光を透過するフィルタ（Ｂ）のいずれかであり、第１フォトダイオード６０３−１〜６０３−ｎの受光面側に配置されている。すなわち、第１フォトダイオード６０３−１〜６０３−ｎ上にオンチップのＲＧＢカラーフィルタ１０５−１〜１０５−ｎが配置されている。カラーフィルタ１０５−１〜１０５−ｎの配置は、第１の実施形態と同様である。
本実施形態では、各第１フォトダイオード６０３−１〜６０３−ｎと、各カラーフィルタ１０５−１〜１０５−ｎとの組を第１画素６０６−１〜６０６−ｎとする。例えば、第１フォトダイオード６０３−１とカラーフィルタ１０５−１との組を第１画素６０６−１とする。
第２画素１０４−１〜１０４−ｎは、第２基板１０２内に配置されている。また、第２画素１０４−１〜１０４−ｎは、Ｐ型層であるＰ１１〜Ｐ１ｎと、Ｎ型層であるＮ１〜Ｎｎと、Ｐ型層であるＰ２１〜Ｐ２ｎとをそれぞれ含み、受光面と平行な第１ＰＮ接合面１０４１−１〜１０４１−ｎと、受光面と平行で第１ＰＮ接合面１０４１−１〜１０４１−ｎよりも深い位置に存在する第２ＰＮ接合面１０４２−１〜１０４２−ｎとを有する。この構成により、第２画素１０４−１〜１０４−ｎは、第２ＰＮ接合面１０４２−１〜１０４２−ｎで得られた電荷から第２信号を生成する。また、第２画素１０４−１〜１０４−ｎは、第１ＰＮ接合面１０４１−１〜１０４１−ｎで得られた電荷から第３信号を生成する。
図７は、本実施形態において、励起光と、蛍光と、第１基板１０１を透過する光と、第２ＰＮ接合面１０４２−１〜１０４２−ｎが検出する光との特性を示したグラフである。グラフの横軸は波長（ｎｍ）を示す。グラフの縦軸は透過利率（％）を示す。線７０１は、励起光の特性を示した線である。線７０２は、蛍光の特性を示した線である。線７０３は、第１基板６０１を透過する光の特性を示した線である。線７０４は、第２ＰＮ接合面１０４２−１〜１０４２−ｎが検出する光の特性を示した線である。
本実施形態では、第１フォトダイオード６０３−１〜６０３−ｎは、Ｐ型層である１Ｐ１１〜１Ｐ１ｎと、Ｎ型層である１Ｎ１〜１Ｎｎと、Ｐ型層である１Ｐ２１〜１Ｐ２ｎとをそれぞれ含み、受光面と平行な第１ＰＮ接合面６０３１−１〜６０３１−ｎと、受光面と平行で第１ＰＮ接合面６０３１−１〜６０３１−ｎよりも深い位置に存在する第２ＰＮ接合面６０３２−１〜６０３２−ｎとを有する。この構成により、第１基板６０１を透過する励起光成分が第１の実施形態（図３の線３０３参照）よりも少なくなる。
これにより、第２ＰＮ接合面１０４２−１〜１０４２−ｎは、第１基板６０１や、浅い側の層に存在する第１ＰＮ接合面１０４１−１〜１０４１−ｎで不要な光の成分を除いた蛍光成分を検出し、第２波長帯域の光に応じた第２信号を生成することができる。従って、撮像素子６００は、蛍光物質に照射した励起光成分や、可視成分を除去することができ、興味の波長に対応した蛍光画像を高精度に撮像することができる。
（第３の実施形態）
次に、本発明の第３の実施形態について説明する。第１の実施形態における撮像素子１００と本実施形態における撮像素子とで異なる点は、第２画素が含んでいる第１ＰＮ接合面のＰ型層とＮ型層とを電気的に接続し、同電位とする点である。なお、その他の構成は、第１の実施形態と同様である。
図８は、本実施形態における撮像素子８００の断面を示した断面図である。図示する例では、撮像素子８００は、第１基板１０１と、第２基板８０２と、第１フォトダイオード１０３−１〜１０３−ｎ（第１受光素子）と、第２画素８０４−１〜８０４−ｎ（第２フォトダイオード、第２受光素子）と、カラーフィルタ１０５−１〜１０５−ｎとを備えている。また、入射光が照射される側を受光面とする。
第１基板１０１と、第２基板８０２とは積層されている。第１基板１０１および第２基板８０２はシリコン基板である。また、第１基板１０１は入射された光のうち、一部の光を透過する。
第１フォトダイオード１０３−１〜１０３−ｎは、第１基板１０１内に配置されている。カラーフィルタ１０５−１〜１０５−ｎは、赤色の光を透過するフィルタ（Ｒ）、または、緑色の光を透過するフィルタ（Ｇ）、または、青色の光を透過するフィルタ（Ｂ）のいずれかであり、第１フォトダイオード１０３−１〜１０３−ｎの受光面側に配置されている。すなわち、第１フォトダイオード１０３−１〜１０３−ｎ上にオンチップのＲＧＢカラーフィルタ１０５−１〜１０５−ｎが配置されている。カラーフィルタ１０５−１〜１０５−ｎの配置は、第１の実施形態と同様である。
本実施形態では、各第１フォトダイオード１０３−１〜１０３−ｎと、各カラーフィルタ１０５−１〜１０５−ｎとの組を第１画素１０６−１〜１０６−ｎとする。例えば、第１フォトダイオード１０３−１とカラーフィルタ１０５−１との組を第１画素１０６−１とする。第１フォトダイオード１０３−１〜１０３−ｎは、露光量に応じた第１信号を出力する。
第２画素８０４−１〜８０４−ｎは、第２基板８０２内に配置されている。また、第２画素８０４−１〜８０４−ｎは、Ｐ型層であるＰ１１〜Ｐ１ｎと、Ｎ型層であるＮ１〜Ｎｎと、Ｐ型層であるＰ２１〜Ｐ２ｎとをそれぞれ含み、受光面と平行な第１ＰＮ接合面８０４１−１〜８０４１−ｎと、受光面と平行で第１ＰＮ接合面８０４１−１〜８０４１−ｎよりも深い位置に存在する第２ＰＮ接合面８０４２−１〜８０４２−ｎとを有する。また、第１ＰＮ接合面８０４１のＰ型層Ｐ１１〜Ｐ１ｎとＮ型層Ｎ１〜Ｎｎとを、それぞれ接続部８０４３−１〜８０４３−ｎを用いて電気的に接続し、同電位としている。これにより、第１ＰＮ接合面８０４１による電荷の発生を抑制することができる。従って、第２ＰＮ接合面８０４２−１〜８０４２−ｎが生成する第２信号の精度をより向上させることができる。
（第４の実施形態）
次に、本発明の第４の実施形態について説明する。第１の実施形態における撮像素子１００と本実施形態における撮像素子とで異なる点は、第１ＰＮ接合面１０４１−１〜１０４１−ｎで生成した第３信号と、第２ＰＮ接合面１０４２−１〜１０４２−ｎで生成した信号とを用いて、第１基板１０１の第１画素１０６−１〜１０６−ｎで生成した第１信号によるＲＧＢ画像を補正する点である。なお、その他の構成は、第１の実施形態と同様である。
図９は、本実施形態における撮像素子９００の構成を示したブロック図である。撮像素子９００は、第１画素／信号読み出し部４０２と、信号補正部９０１とを備えている。第１画素１０６−１〜１０６−ｎが生成した第１信号は、可視成分（ＲＧＢ成分）以外に赤外成分を含んでいる。また、第１ＰＮ接合面１０４１−１〜１０４１−ｎが生成した第３信号と、第２ＰＮ接合面１０４２−１〜１０４２−ｎが生成した信号は、第１信号が含んでいる赤外成分に相当する信号である。よって、信号補正部９０１は、第１信号から赤外成分を差分処理することで、可視成分のみで画像を生成することができる。従って、第１画像（ＲＧＢ画像、可視画像）の画質をより向上させることができる。
（第５の実施形態）
次に、本発明の第５の実施形態について説明する。本実施形態と第１の実施形態とで異なる点は、撮像素子の受光面側にＩＣＧフィルタを備える点である。なお、その他の構成は、第１の実施形態と同様である。
図１０は、本実施形態における撮像素子１２００の構成を示した概略図である。図１０に示す撮像素子１２００は、第１基板１０１と、第２基板１０２と、複数の第１フォトダイオード１０３（第１受光素子）と、複数の第２画素１０４（第２フォトダイオード、第２受光素子）と、複数のカラーフィルタ１０５と、ＩＣＧフィルタ１２０１とを備えている。
第１基板１０１と、第２基板１０２と、第１フォトダイオード１０３と、第２画素１０４と、カラーフィルタ１０５との構成は第１の実施形態と同様である。ＩＣＧフィルタ１２０１は、カラーフィルタ１０５の受光面側に配置されている。ＩＣＧフィルタ１２０１は、ＩＣＧの励起光をカットして蛍光波長のみを透過する光学フィルタである。
図１１は、本実施形態において、ＩＣＧフィルタ１２０１の分光特性を示したグラフである。グラフの横軸は波長（ｎｍ）を示す。グラフの縦軸は透過率を示す。線１３０１は、ＩＣＧフィルタ１２０１の可視領域の透過率を示す。線１３０２は、ＩＣＧフィルタ１２０１の蛍光の透過率を示す。図１１に示すように、ＩＣＧフィルタ１２０１は、可視領域の光と蛍光とを透過し、励起光を透過しない。なお、図１１に示す例では、蛍光部分を９００ｎｍで減衰するＩＣＧフィルタ１２０１を示しているが、８００ｎｍ以上を全て透過するハイパスタイプであってもよい。
これにより、第２ＰＮ接合面１０４２−１〜１０４２−ｎは、ＩＣＧフィルタ１２０１と、第１基板１０１と、浅い側の層に存在する第１ＰＮ接合面１０４１−１〜１０４１−ｎで不要な光の成分を除いた蛍光成分を検出し、第２波長帯域の光に応じた第２信号を生成することができる。従って、撮像素子１２００は、蛍光物質に照射した励起光成分や、可視成分を除去することができ、興味の波長に対応した蛍光画像を高精度に撮像することができる。
（第６の実施形態）
次に、本発明の第６の実施形態について説明する。本実施形態では、第１の実施形態〜第５の実施形態に記載した撮像素子のうち、いずれかを内蔵した内視鏡装置について説明する。
図１２は、本実施形態における内視鏡装置の構成を示したブロック図である。図示する例では、内視鏡装置１０００は、内視鏡スコープ１００１と、演算部１００２と、モニタ１００３と、光源部１００４とを備えている。演算部１００２は、内視鏡装置１０００の各部の制御を行う。モニタ１００３は、例えば液晶ディスプレイであり、画像を表示する。光源部１００４は、例えはＬＥＤであり、光を発する。
内視鏡スコープ１００１は、撮像素子１０１１と、撮像レンズ１０１２と、ライトガイド１０１３と、照明レンズ１０１４とを備えている。撮像素子１０１１は、第１の実施形態〜第４の実施形態に記載した撮像素子のいずれかである。撮像素子１０１１は、内視鏡スコープ１００１の先端部に配置されている。また、撮像レンズ１０１２は、撮像素子１０１１の受光面側に配置されている。また、照明レンズ１０１４は、内視鏡スコープ１００１の先端部に配置されている。
ライトガイド１０１３は、光源部１００４が発した光を照明レンズ１０１４に照射する。照明レンズ１０１４は、ライトガイド１０１３から照射される光を集光し、被写体に照射する。撮像レンズ１０１２は、被写体からの光を集光し、撮像素子１０１１に照射する。撮像素子１０１１は、撮像レンズ１０１２により照射された光に基づいて、第１画像と第２画像とを生成する。演算部１００２は、撮像素子１０１１が生成した第１画像と第２画像とを、モニタ１００３に表示させる。
例えば、第１の実施形態〜第５の実施形態に記載した撮像素子は、小型化にしつつ、高精度なＲＧＢ画像と蛍光画像とを同時に撮像することができる。よって、第１の実施形態〜第５の実施形態に記載した撮像素子のいずれかを内視鏡装置１０００に用いることで、高精度なＲＧＢ画像と蛍光画像とを同時に撮像することができる。例えば、高精度なＲＧＢ画像と蛍光画像とを、がん診断や外科手術時のＩＣＧ観察に役立てることができる。
（第７の実施形態）
次に、本発明の第７の実施形態について説明する。本実施形態と第６の実施形態とで異なる点は、第１ＰＮ接合面１０４１−１〜１０４１−ｎが生成した第３信号を用いて、光源部１００４の光量（励起光成分）を調整する点である。なお、その他の構成は、第６の実施形態と同様である。
図１３は、本実施形態における撮像素子１１００の構成を示したブロック図である。撮像素子１１００は、光量調整部１１０１を備えている。第１ＰＮ接合面１０４１−１〜１０４１−ｎが生成した第３信号は、励起光量に応じた信号である。例えば、ＩＣＧ蛍光物質では励起波長も赤外のため観察者が目視で光量調整することは出来ない。そこで、本実施形態では、光量調整部１１０１は、第１ＰＮ接合面１０４１−１〜１０４１−ｎが生成した第３信号に基づいて光源部１００４の光量（励起光成分）を調整する。これにより、ＩＣＧ蛍光物質を投与した被写体に照射する光量を最適化することができるため、蛍光画像の画質をさらに向上させることができる。
以上、この発明の第１の実施形態〜第７の実施形態について図面を参照して詳述してきたが、具体的な構成はこの実施形態に限られるものではなく、この発明の要旨を逸脱しない範囲の設計等も含まれる。例えば、各実施形態で示した構成を組み合わせてもよい。
１００，６００，８００，９００，１０１１，１１００，１２００・・・撮像素子、１０１，２２１，６０１・・・第１基板、１０２，２２２，８０２・・・第２基板、１０３−１〜１０３−ｎ，２２３−１〜２２３−ｎ，６０３−１〜６０３−ｎ・・・第１フォトダイオード、１０４−１〜１０４，２２４−１〜２２４−ｎ，８０４−１〜８０４−ｎ・・・第２画素、１０５−１〜１０５−ｎ・・・カラーフィルタ、１０６−１〜１０６−ｎ，６０６−１〜６０６−ｎ・・・第１画素、４０１・・・駆動部、４０２・・・第１画素／信号読み出し部、４０３・・・第２画素／信号読み出し部、４０４・・・信号処理部、４０５・・・信号出力端子、９０１・・・信号補正部、１０００・・・内視鏡装置、１００１・・・内視鏡スコープ、１００２・・・演算部、１００３・・・モニタ、１００４・・・光源部、１０１２・・・撮像レンズ、１０１３・・・ライトガイド、１０１４・・・照明レンズ、１０４１−１〜１０４１−ｎ，６０３１−１〜６０３１−ｎ，８０４１−１〜８０４１−ｎ・・・第１ＰＮ接合面、１０４２−１〜１０４２−ｎ，６０３２−１〜６０３２−ｎ，８０４２−１〜８０４２−ｎ・・・第２ＰＮ接合面、１１０１・・・光量調整部、１２０１・・・ＩＣＧフィルタ、８０４３−１〜８０４３−ｎ・・・接続部

Claims (9)

  1. 第１基板と、
    前記第１基板に積層された第２基板と、
    前記第１基板に行列状に配置され、第１受光素子を各々有し、可視帯域を含む第１波長帯域と前記第１波長帯域よりも波長が長い近赤外域を含む第２波長帯域の入射光が照射され、前記第１波長帯域の光に応じた第１信号を生成する第１画素と、
    前記第２基板に行列状に配置され、前記第１画素を透過した光が照射される第２画素と、
    を備え、
    前記第２画素は、受光面と平行な第１ＰＮ接合面と、前記受光面と平行で前記第１ＰＮ接合面よりも深い位置に存在する第２ＰＮ接合面とを有し、前記第２ＰＮ接合面で得られた電荷から前記第２波長帯域の光に応じた第２信号を生成する
    ことを特徴とする撮像素子。
  2. 第１基板と、
    前記第１基板に積層された第２基板と、
    前記第１基板に行列状に配置され、第１受光素子を各々有し、可視帯域を含む第１波長帯域と前記第１波長帯域よりも波長が長い近赤外域を含む第２波長帯域の入射光が照射され、前記第１波長帯域の光に応じた第１信号を生成する第１画素と、
    前記第２基板に行列状に配置され、前記第１画素を透過した光が照射される第２画素と、
    を備え、
    前記第１画素は、受光面と平行な第１ＰＮ接合面と、前記受光面と平行で前記第１ＰＮ接合面よりも深い位置に存在する第２ＰＮ接合面とを有し、前記第２ＰＮ接合面で得られた電荷から前記第２波長帯域の光に応じた第２信号を生成する
    ことを特徴とする撮像素子。
  3. 前記第１ＰＮ接合面は、前記第１波長帯域の波長を含む光で電荷を生成する
    ことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の撮像素子。
  4. 前記第１ＰＮ接合面のＰ型層とＮ型層を同電位で接続する
    ことを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の撮像素子。
  5. 前記第１ＰＮ接合面で生成した第３信号を用いて前記第１信号を補正する
    ことを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の撮像素子。
  6. 前記第３信号を用いて、前記第１画素と前記第２画素とに入射する光の光量を制御する
    ことを特徴とする請求項１から請求項５のいずれか１項に記載の撮像素子。
  7. 第１基板と、
    前記第１基板に積層された第２基板と、
    前記第１基板に行列状に配置され、第１受光素子を各々有し、可視帯域を含む第１波長帯域と前記第１波長帯域よりも波長が長い近赤外域を含む第２波長帯域の入射光が照射され、前記第１波長帯域の光に応じた第１の信号を生成する第１画素と、
    前記第２基板に行列状に配置され、前記第１画素を透過した光が照射される第２画素と、
    を備え、
    前記第２画素は、受光面と平行な第１ＰＮ接合面と、前記受光面と平行で前記第１ＰＮ接合面よりも深い位置に存在する第２ＰＮ接合面とを有し、前記第２ＰＮ接合面で得られた電荷から前記第２波長帯域の光に応じた第２信号を生成し、
    前記第１画素は、受光面と平行な第３ＰＮ接合面と、前記受光面と平行で前記第３ＰＮ接合面よりも深い位置に存在する第４ＰＮ接合面とを有し、前記第４ＰＮ接合面で得られた電荷から前記第２波長帯域の光に応じた第４信号を生成する
    ことを特徴とする撮像素子。
  8. インドシアニングリーン誘導体標識抗体からなる蛍光物質を被検査対象物に投与して内視鏡による診断を行う内視鏡装置において、
    請求項１から請求項７のいずれか１項に記載の撮像素子
    を備え、
    前記第１画素の受光面側に、可視帯域と蛍光物質の近赤外の蛍光波長帯域とを透過し、蛍光波長帯域と近接した励起波長帯域成分を透過しない光学フィルタが配置され、
    前記第１の波長帯域は可視帯域を含み、前記第２の波長帯域は蛍光物質の蛍光帯域を含む
    ことを特徴とする内視鏡装置。
  9. 前記第１信号から可視帯域の第１画像が作成され、
    前記第２信号から蛍光波長帯域の第２画像が作成され、
    前記第１基板と、前記第２基板と、前記光学フィルタとは、内視鏡先端部に配置される
    ことを特徴とする請求項８に記載の内視鏡装置。
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