JP2019103129A - Solid state imaging apparatus, method of driving solid state imaging apparatus, and electronic equipment - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、固体撮像装置、固体撮像装置の駆動方法、および電子機器に関するものである。 The present invention relates to a solid-state imaging device, a method of driving a solid-state imaging device, and an electronic device.
光を検出して電荷を発生させる光電変換素子を用いた固体撮像装置(イメージセンサ)として、CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor)イメージセンサが実用に供されている。
CMOSイメージセンサは、デジタルカメラ、ビデオカメラ、監視カメラ、医療用内視鏡、パーソナルコンピュータ(PC)、携帯電話等の携帯端末装置(モバイル機器)等の各種電子機器の一部として広く適用されている。
As a solid-state imaging device (image sensor) using a photoelectric conversion element that detects light and generates electric charge, a complementary metal oxide semiconductor (CMOS) image sensor is put to practical use.
CMOS image sensors are widely applied as a part of various electronic devices such as digital cameras, video cameras, surveillance cameras, medical endoscopes, personal computers (PCs), mobile terminal devices such as mobile phones (mobile devices), etc. There is.
CMOSイメージセンサは、画素毎にフォトダイオード(光電変換素子)および浮遊拡散層(FD:Floating Diffusion、フローティングディフュージョン)を有するFDアンプを持ち合わせており、その読み出しは、画素アレイの中のある一行を選択し、それらを同時に列(カラム)方向へと読み出すような列並列出力型が主流である。 The CMOS image sensor has an FD amplifier having a photodiode (photoelectric conversion element) and a floating diffusion layer (FD: Floating Diffusion) for each pixel, and its readout selects one row in the pixel array In addition, a column parallel output type in which they are read simultaneously in the column direction is the mainstream.
CMOSイメージセンサの各画素は、たとえば1個のフォトダイオードに対して、転送ゲートとしての転送トランジスタ、リセットゲートとしてのリセットトランジスタ、ソースフォロワゲート(増幅ゲート)としてのソースフォロワトランジスタ、および選択ゲートとしての選択トランジスタの4素子を能動素子として含んで構成される(たとえば特許文献1参照)。 For each pixel of the CMOS image sensor, for example, for one photodiode, a transfer transistor as a transfer gate, a reset transistor as a reset gate, a source follower transistor as a source follower gate (amplifying gate), and a selection gate Four elements of the selection transistor are included as active elements (see, for example, Patent Document 1).
CMOSイメージセンサは、一般的に、赤(R)、緑(G)、青(B)の3原色フィルタやシアン、マゼンタ、イエロー、グリーンの4色補色フィルタを用いてカラー画像を撮像する。 Generally, a CMOS image sensor captures a color image using three primary color filters of red (R), green (G) and blue (B) and four complementary colors of cyan, magenta, yellow and green.
一般的に、CMOSイメージセンサにおいて、画素は個別にフィルタを備えている。フィルタは、主として赤色光を透過させる赤(R)フィルタ、主として緑色光を透過させる緑(Gr,Gb)フィルタ、および主として青色光を透過させる青(B)フィルタの4つを正方配列した画素群が単位RGB画素グループとして2次元状に配列されている。 Generally, in a CMOS image sensor, pixels are individually provided with filters. The filter is a pixel group in which four of a red (R) filter that mainly transmits red light, a green (Gr, Gb) filter that mainly transmits green light, and a blue (B) filter that mainly transmits blue light are squarely arranged Are arranged two-dimensionally as a unit RGB pixel group.
また、CMOSイメージセンサへの入射光はフィルタを介してフォトダイオードで受光される。フォトダイオードは、人間の可視領域(380nm〜780nm程度)より広いい波長域(380nm〜1100nm)の光を受光して信号電荷を発生させることから、赤外光分の誤差が生じて、色再現性が低下する。
このため、あらかじめ赤外線カットフィルタ(IRカットフィルタ)により赤外光を除去するのが一般的である。
ところが、IRカットフィルタは可視光を10%〜20%程度も減衰させてしまうことから、固体撮像装置の感度を低下させ、画質に劣化を招く。
Also, incident light to the CMOS image sensor is received by the photodiode through the filter. The photodiode receives light in a wavelength range (380 nm to 1100 nm) wider than human visible range (about 380 nm to 780 nm) to generate a signal charge, which causes an error for the infrared light, and thus color reproduction Sex is reduced.
For this reason, it is common to remove infrared light by an infrared cut filter (IR cut filter) in advance.
However, since the IR cut filter attenuates visible light by about 10% to about 20%, the sensitivity of the solid-state imaging device is lowered, and the image quality is deteriorated.
そこで、IRカットフィルタを用いないCMOSイメージセンサ(固体撮像装置)が提案されている(たとえば特許文献2参照)。
このCMOSイメージセンサは、主として赤色光を透過させる赤(R)フィルタを含むR画素、主として緑色光を透過させる緑(G)フィルタを含むG画素、主として青色光を透過させる青(B)フィルタを含むB画素、および赤外光を受光する専用の近赤外(NIR)画素の4つを正方配列した画素群が単位RGBIR画素グループとして2次元状に配列されている。
このCMOSイメージセンサは、いわゆるNIR画像およびRGB画像を得ることができるNIR−RGBセンサとして機能する。
Therefore, a CMOS image sensor (solid-state imaging device) not using an IR cut filter has been proposed (see, for example, Patent Document 2).
This CMOS image sensor mainly includes red (R) filters that transmit red light, green (G) filters that mainly transmit green light, and blue (B) filters that transmit blue light. A group of pixels including four B pixels and a dedicated near infrared (NIR) pixel for receiving infrared light are two-dimensionally arranged as a unit RGBIR pixel group.
This CMOS image sensor functions as an NIR-RGB sensor capable of obtaining so-called NIR images and RGB images.
このCMOSイメージセンサでは、赤外光を受光した画素の出力信号を用いて、赤色、緑色、青色の光を受光した画素の出力信号を補正することにより、IRカットフィルタを用いることなく高い色再現性を実現することができる。 In this CMOS image sensor, high color reproduction is achieved without using an IR cut filter by correcting the output signals of pixels that received red, green, and blue light using the output signals of pixels that received infrared light. Can be realized.
また、単位RGBIR画素グループまたは単位RGB画素グループを備えたCMOSイメージセンサにおいては、単位画素グループの4つの画素で、フローティングディフュージョンFD、リセットトランジスタRST−Tr、ソースフォロワトランジスタSF−Tr、および選択トランジスタSEL−Trが共有される場合もある。 In addition, in a CMOS image sensor provided with a unit RGBIR pixel group or a unit RGB pixel group, the floating diffusion FD, the reset transistor RST-Tr, the source follower transistor SF-Tr, and the selection transistor SEL are four pixels of the unit pixel group. -Tr may be shared.
また、赤外(IR,NIR)センサとして、単位画素グループの4画素を画素サイズの大きい1つのNIR受光専用画素で形成される赤外(IR,NIR)センサが知られている。 Further, as an infrared (IR, NIR) sensor, an infrared (IR, NIR) sensor is known in which four pixels of a unit pixel group are formed by one large NIR light reception dedicated pixel.
図1は、単位RGBIR画素グループを有するNIR−RGBセンサとして形成された固体撮像装置(CMOSイメージセンサ)の各構成要素の概略的な配置例を平面的に示す図である。
図1の例では、単位RGBIR画素グループの各画素PXLは同じサイズを有し、いわゆるRGB画像およびNIR画像を得ることができる。
FIG. 1 is a plan view schematically showing an exemplary arrangement of components of a solid-state imaging device (CMOS image sensor) formed as an NIR-RGB sensor having unit RGBIR pixel groups.
In the example of FIG. 1, each pixel PXL of a unit RGBIR pixel group has the same size, and so-called RGB images and NIR images can be obtained.
図2は、NIRセンサとして形成された固体撮像装置(CMOSイメージセンサ)の各構成要素の概略的な配置例を平面的に示す図である。
図2の例では、NIR受光専用画素はNIR−RGBセンサより画素サイズが大きく形成されている。
FIG. 2 is a plan view schematically showing an exemplary arrangement of components of a solid-state imaging device (CMOS image sensor) formed as an NIR sensor.
In the example of FIG. 2, the pixel dedicated to NIR light reception is formed to be larger in pixel size than the NIR-RGB sensor.
図1に示すような従来のNIR−RGBセンサとして形成されたCMOSイメージセンサでは、1つのセンサでRGB画像およびNIR画像を得ることができるという利点がる。
しかしながら、赤外光受光時には解像度はRGBの画素と同等であるが、NIR感度は低い(通常の1/4程度)という不利益がある。
A CMOS image sensor configured as a conventional NIR-RGB sensor as shown in FIG. 1 has the advantage of being able to obtain RGB and NIR images with one sensor.
However, at the time of infrared light reception, the resolution is equivalent to that of RGB pixels, but there is a disadvantage that the NIR sensitivity is low (about 1⁄4 of usual).
また、図2に示すような従来のNIRセンサとして形成されたCMOSイメージセンサは、NIR感度は高い(約4倍)ものの、たとえばRGB等の可視光のカラー画像を得ることができないという不利益がある。 Although the CMOS image sensor formed as a conventional NIR sensor as shown in FIG. 2 has high NIR sensitivity (approximately 4 times), it has a disadvantage that it can not obtain a visible light color image such as RGB. is there.
本発明は、RGB等の可視光画像およびNIR等の赤外画像を得ることができ、しかも赤外光に対する受光感度を高く保持することが可能な固体撮像装置、固体撮像装置の駆動方法、および電子機器を提供することにある。 The present invention can obtain a visible light image such as RGB and an infrared image such as NIR, and further can maintain a high light receiving sensitivity to infrared light, a method of driving the solid image pickup device, and It is in providing an electronic device.
本発明の第1の観点の固体撮像装置は、光電変換を行う、少なくとも可視光用の複数の画素を含む単位画素グループが配置された画素部と、前記画素部から画素信号の読み出しを行う読み出し部と、を有し、前記可視光用の複数の前記画素は、赤外光に対する受光感度を持ち、前記読み出し部は、赤外読み出しモード時には、前記可視光用の複数の前記画素から読み出した赤外光の信号を加算することが可能である。 According to a first aspect of the present invention, there is provided a solid-state imaging device, which performs photoelectric conversion, and a pixel unit in which a unit pixel group including at least a plurality of visible light pixels is arranged; and reading out pixel signals from the pixel unit. A plurality of the pixels for visible light have photosensitivity to infrared light, and the readout unit reads out from the plurality of pixels for visible light in the infrared readout mode It is possible to add the signals of the infrared light.
本発明の第2の観点は、光電変換を行う、少なくとも可視光用の複数の画素を含む単位画素グループが配置された画素部を有し、前記可視光用の複数の前記画素は、赤外光に対する受光感度を持つ固体撮像装置の駆動方法であって、赤外読み出しモード時には、前記可視光用の複数の前記画素から赤外光の信号を読み出し、読み出した赤外光の信号を加算する。 According to a second aspect of the present invention, there is provided a pixel section in which a unit pixel group including at least a plurality of pixels for visible light is disposed, which performs photoelectric conversion, the plurality of pixels for visible light being infrared A method of driving a solid-state imaging device having a light receiving sensitivity to light, comprising: reading out infrared light signals from the plurality of pixels for visible light and adding the read out infrared light signals in an infrared reading mode .
本発明の第3の観点の電子機器は、固体撮像装置と、前記固体撮像装置に被写体像を結像する光学系と、を有し、前記固体撮像装置は、光電変換を行う、少なくとも可視光用の複数の画素を含む単位画素グループが配置された画素部と、前記画素部から画素信号の読み出しを行う読み出し部と、を有し、前記可視光用の複数の前記画素は、赤外光に対する受光感度を持ち、前記読み出し部は、赤外読み出しモード時には、前記可視光用の複数の前記画素から読み出した赤外光の信号を加算することが可能である。 An electronic apparatus according to a third aspect of the present invention includes a solid-state imaging device, and an optical system for forming an object image on the solid-state imaging device, the solid-state imaging device performs photoelectric conversion, at least visible light. Pixel unit in which a unit pixel group including a plurality of pixels for pixels is arranged, and a reading unit for reading a pixel signal from the pixel unit, and the plurality of pixels for visible light are infrared light In the infrared readout mode, the readout unit can add infrared light signals read out from the plurality of pixels for visible light.
本発明によれば、RGB等の可視光画像およびNIR等の赤外画像を得ることができ、しかも赤外光に対する受光感度を高く保持することが可能となる。 According to the present invention, it is possible to obtain a visible light image such as RGB and an infrared image such as NIR, and it is possible to maintain high light receiving sensitivity to infrared light.
以下、本発明の実施形態を図面に関連付けて説明する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
(第1の実施形態)
図3は、本発明の第1の実施形態に係る固体撮像装置の構成例を示すブロック図である。
本実施形態において、固体撮像装置10は、たとえばCMOSイメージセンサにより構成される。
First Embodiment
FIG. 3 is a block diagram showing a configuration example of the solid-state imaging device according to the first embodiment of the present invention.
In the present embodiment, the solid-
この固体撮像装置10は、図3に示すように、撮像部としての画素部20、垂直走査回路(行走査回路)30、読み出し回路(カラム読み出し回路)40、水平走査回路(列走査回路)50、およびタイミング制御回路60を主構成要素として有している。
また、これらの構成要素のうち、たとえば垂直走査回路30、読み出し回路40、水平走査回路50、およびタイミング制御回路60により画素信号の読み出し部70が構成される。
As shown in FIG. 3, the solid-
Further, among these components, for example, the
本第1の実施形態において、固体撮像装置10は、RGB等の可視光画像およびNIR等の赤外画像を得ることができ、しかも赤外光に対する受光感度を高く保持することが可能となるように、画素部20は光電変換を行う、可視光用の複数の画素(色画素という場合もある)を含む単位画素グループが配置され、可視光用の複数の画素(色画素)は、赤外光に対する受光感度を持ち、読み出し部70は、赤外読み出しモードMIRRD時には、複数の色画素から読み出した赤外光の信号を加算することが可能である。
本第1の実施形態においては、赤外光の波長が800nm以上である。
また、各色画素は、読み出し部70により可視領域のカラー画素信号と赤外領域の赤外画素信号を同時並列的に読み出し可能としてもよい。
In the first embodiment, the solid-
In the first embodiment, the wavelength of infrared light is 800 nm or more.
Further, each color pixel may be able to read out simultaneously a color pixel signal in the visible region and an infrared pixel signal in the infrared region by the
本第1の実施形態においては、単位画素グループは、一面側から入射した光を光電変換する機能を有し、複数の可視光波長帯域(色)に対応する複数の光電変換部を含み、複数の光電変換部は、赤色(R)領域に対応する赤色(R)光電変換部、緑色(Gb,Gr)領域に対応する第1の緑色(Gb)光電変換部および第2の緑色(Gr)光電変換部、並びに青色(B)領域に対応する青色(B)光電変換部を含む。 In the first embodiment, the unit pixel group has a function of photoelectrically converting light incident from one side, and includes a plurality of photoelectric conversion units corresponding to a plurality of visible light wavelength bands (colors). The photoelectric conversion unit of the present invention includes a red (R) photoelectric conversion unit corresponding to a red (R) region, a first green (Gb) photoelectric conversion unit corresponding to a green (Gb, Gr) region, and a second green (Gr) The photoelectric conversion unit includes a blue (B) photoelectric conversion unit corresponding to the blue (B) region.
そして、読み出し部70は、第1のモードMOD1時は、第1の緑色(Gb)光電変換部、青色(B)光電変換部、赤色(R)光電変換部、第2の緑色(Gr)光電変換部から読み出した信号をそのまま出力することが可能であり、赤外読み出しモードを含む第2のモードMOD2時は、第1の緑色(Gb)光電変換部、青色(B)光電変換部、赤色(R)光電変換部、第2の緑色(Gr)光電変換部から読み出した信号を加算することが可能である。
本第1の実施形態において、基本的に、第1のモードMOD1は、赤色(R)緑色(G)青色(B)画像取得モードであり、第2のモードMOD2は、赤外(IR、NIR)画像取得モードである。
本第1の実施形態においては、単位画素グループは、単位RGB画素グループとして形成されている。
In the first mode MOD1, the
In the first embodiment, basically, the first mode MOD1 is a red (R) green (G) blue (B) image acquisition mode, and the second mode MOD2 is infrared (IR, NIR) ) It is an image acquisition mode.
In the first embodiment, the unit pixel group is formed as a unit RGB pixel group.
以下、固体撮像装置10の各部の構成および機能の概要を説明した後、画素の具体的な構成、配置等について詳述する。
Hereinafter, after describing the configuration and function of each part of the solid-
(画素部20および画素PXLの構成)
画素部20は、フォトダイオード(光電変換部)と画素内アンプとを含む複数の画素がN行×M列の2次元の行列状(マトリクス状)に配列されている。
(Configuration of
In the
図4は、本第1の実施形態に係る固体撮像装置の画素部の4つの画素で1つのフローティングディフュージョンを共有する例を示す回路図である。 FIG. 4 is a circuit diagram showing an example in which one floating diffusion is shared by four pixels in the pixel section of the solid-state imaging device according to the first embodiment.
図4の画素部20は、4つの画素PXL11,PXL12,PXL21,PXL22が2×2の正方に配置されている。
In the
画素PXL11は、フォトダイオードPD11、および転送トランジスタTG11−Trを含んで構成されている。 The pixel PXL11 is configured to include a photodiode PD11 and a transfer transistor TG11-Tr.
画素PXL12は、フォトダイオードPD12、および転送トランジスタTG12−Trを含んで構成されている。 The pixel PXL12 is configured to include a photodiode PD12 and a transfer transistor TG12-Tr.
画素PXL21は、フォトダイオードPD21、および転送トランジスタTG21−Trを含んで構成されている。 The pixel PXL21 is configured to include a photodiode PD21 and a transfer transistor TG21-Tr.
画素PXL22は、フォトダイオードPD22、および転送トランジスタTG22−Trを含んで構成されている。 The pixel PXL22 is configured to include a photodiode PD22 and a transfer transistor TG22-Tr.
そして、画素部20は、4つの画素PXL11,PXL12,PXL21,PXL22で、フローティングディフュージョンFD(Floating Diffusion;浮遊拡散層)11、リセットトランジスタRST11−Tr、ソースフォロワトランジスタSF11−Tr、および選択トランジスタSEL11−Trが共有されている。
The
このような4画素共有構成において、単位画素グループをベイヤ配列とした場合、画素PXL11がGb画素として形成され、画素PXL12がB画素として形成され、PXL21がR画素として形成され、画素PXL22がGr画素として形成される。
たとえば、画素PXL11のフォトダイオードPD11が第1の緑色(Gb)光電変換部として機能し、画素PXL12のフォトダイオードPD12が青色(B)光電変換部として機能し、画素PXL21のフォトダイオードPD21が赤色(R)光電変換部として機能し、画素PXL22のフォトダイオードPD22が第2の緑色(Gr)光電変換部として機能する。
In such a four-pixel sharing configuration, when the unit pixel group has a Bayer arrangement, the pixel PXL11 is formed as a Gb pixel, the pixel PXL12 is formed as a B pixel, PXL21 is formed as an R pixel, and the pixel PXL22 is a Gr pixel It is formed as
For example, the photodiode PD11 of the pixel PXL11 functions as a first green (Gb) photoelectric conversion unit, the photodiode PD12 of the pixel PXL12 functions as a blue (B) photoelectric conversion unit, and the photodiode PD21 of the pixel PXL21 is red ( R) Functions as a photoelectric conversion unit, and the photodiode PD22 of the pixel PXL22 functions as a second green (Gr) photoelectric conversion unit.
一般に、色(光波長帯域)ごとに、各画素のフォトダイオードPDの飽和にいたる感度が異なる。
たとえば、G画素のフォトダイオードPD11,PD22の感度は、B画素のフォトダイオードPD12、R画素のフォトダイオードPD21の感度より高い。
Generally, the sensitivity to saturation of the photodiode PD of each pixel is different for each color (light wavelength band).
For example, the sensitivities of the photodiodes PD11 and PD22 of the G pixel are higher than the sensitivities of the photodiode PD12 of the B pixel and the photodiode PD21 of the R pixel.
フォトダイオードPD11、PD12、PD21、PD22としては、たとえば埋め込みフォトダイオード(PPD)が用いられる。
フォトダイオードPD11,PD12,PD21,P22を形成する基板表面にはダングリングボンドなどの欠陥による表面準位が存在するため、熱エネルギーによって多くの電荷(暗電流)が発生し、正しい信号が読み出せなくなってしまう。
埋め込みフォトダイオード(PPD)では、フォトダイオードPDの電荷蓄積部を基板内に埋め込むことで、暗電流の信号への混入を低減することが可能となる。
For example, a buried photodiode (PPD) is used as the photodiodes PD11, PD12, PD21 and PD22.
Since surface states due to defects such as dangling bonds exist on the substrate surface forming the photodiodes PD11, PD12, PD21, and P22, a large amount of charge (dark current) is generated by thermal energy, and the correct signal can be read out. It will be gone.
In the embedded photodiode (PPD), it is possible to reduce the mixing of dark current into a signal by embedding the charge storage portion of the photodiode PD in the substrate.
フォトダイオードPD11,PD12,PD21,PD22は、入射光量に応じた量の信号電荷(ここでは電子)を発生し、蓄積する。
以下、信号電荷は電子であり、各トランジスタがn型トランジスタである場合について説明するが、信号電荷がホールであったり、各トランジスタがp型トランジスタであっても構わない。
The photodiodes PD11, PD12, PD21, and PD22 generate and accumulate signal charges (here, electrons) according to the amount of incident light.
Hereinafter, the case where the signal charge is an electron and each transistor is an n-type transistor will be described. However, the signal charge may be a hole or each transistor may be a p-type transistor.
転送トランジスタTG11−Trは、フォトダイオードPD11とフローティングディフュージョンFD11の間に接続され、制御線(または制御信号)TG11を通じて制御される。
転送トランジスタTG11−Trは、読み出し部70の制御の下、制御線TG11が所定レベルのハイレベル(H)の期間に選択されて導通状態となり、フォトダイオードPD11で光電変換され蓄積された電荷(電子)をフローティングディフュージョンFD11に転送する。
The transfer transistors TG11 to Tr are connected between the photodiode PD11 and the floating diffusion FD11, and are controlled through a control line (or control signal) TG11.
The transfer transistor TG11-Tr is turned on when the control line TG11 is selected during a high level (H) period of a predetermined level under the control of the
転送トランジスタTG12−Trは、フォトダイオードPD12とフローティングディフュージョンFD11の間に接続され、制御線(または制御信号)TG12を通じて制御される。
転送トランジスタTG12−Trは、読み出し部70の制御の下、制御線TG12が所定レベルのハイレベル(H)の期間に選択されて導通状態となり、フォトダイオードPD12で光電変換され蓄積された電荷(電子)をフローティングディフュージョンFD11に転送する。
The transfer transistor TG12-Tr is connected between the photodiode PD12 and the floating diffusion FD11, and is controlled through a control line (or control signal) TG12.
The transfer transistor TG12-Tr is turned on when the control line TG12 is selected during a high level (H) of a predetermined level under the control of the
転送トランジスタTG21−Trは、フォトダイオードPD21とフローティングディフュージョンFD11の間に接続され、制御線(または制御信号)TG21を通じて制御される。
転送トランジスタTG21−Trは、読み出し部70の制御の下、制御線TG21が所定レベルのハイレベル(H)の期間に選択されて導通状態となり、フォトダイオードPD21で光電変換され蓄積された電荷(電子)をフローティングディフュージョンFD11に転送する。
The transfer transistor TG21-Tr is connected between the photodiode PD21 and the floating diffusion FD11, and is controlled through a control line (or control signal) TG21.
The transfer transistor TG21-Tr is turned on when the control line TG21 is selected during a high level (H) of a predetermined level under the control of the
転送トランジスタTG22−Trは、フォトダイオードPD22とフローティングディフュージョンFD11の間に接続され、制御線(または制御信号)TG22を通じて制御される。
転送トランジスタTG22−Trは、読み出し部70の制御の下、制御線TG22が所定レベルのハイレベル(H)の期間に選択されて導通状態となり、フォトダイオードPD22で光電変換され蓄積された電荷(電子)をフローティングディフュージョンFD11に転送する。
The transfer transistor TG22-Tr is connected between the photodiode PD22 and the floating diffusion FD11, and is controlled through a control line (or control signal) TG22.
The transfer transistor TG22-Tr is turned on when the control line TG22 is selected during a high level (H) of a predetermined level under the control of the
リセットトランジスタRST11−Trは、図4に示すように、電源線VDD(または電源電位)とフローティングディフュージョンFD11の間に接続され、制御線(または制御信号)RST11を通じて制御される。
なお、リセットトランジスタRST11−Trは、電源線VDDとは別の電源線VRstとフローティングディフュージョンFDの間に接続され、制御線(または制御信号)RST11を通じて制御されるように構成してもよい。
リセットトランジスタRST11−Trは、読み出し部70の制御の下、たとえば読み出しスキャン時に、制御線RST11がHレベルの期間に選択されて導通状態となり、フローティングディフュージョンFD11を電源線VDD(またはVRst)の電位にリセットする。
As shown in FIG. 4, the reset transistors RST11 to Tr are connected between the power supply line VDD (or power supply potential) and the floating diffusion FD11, and are controlled through a control line (or control signal) RST11.
The reset transistors RST11 to Tr may be connected between a power supply line VRst different from the power supply line VDD and the floating diffusion FD, and may be configured to be controlled through a control line (or control signal) RST11.
Under the control of the
ソースフォロワトランジスタSF11−Trと選択トランジスタSEL11−Trは、電源線VDDと垂直信号線LSGNの間に直列に接続されている。
ソースフォロワトランジスタSF11−TrのゲートにはフローティングディフュージョンFD11が接続され、選択トランジスタSEL11−Trは制御線(または制御信号)SEL11を通じて制御される。
選択トランジスタSEL11−Trは、制御線SEL11がHレベルの期間に選択されて導通状態となる。これにより、ソースフォロワトランジスタSF11−TrはフローティングディフュージョンFD11の電荷を電荷量(電位)に応じた利得をもって電圧信号に変換した列出力の読み出し電圧(信号)VSL(PIXOUT)を垂直信号線LSGNに出力する。
The source follower transistor SF11-Tr and the selection transistor SEL11-Tr are connected in series between the power supply line VDD and the vertical signal line LSGN.
The floating diffusion FD11 is connected to the gate of the source follower transistor SF11-Tr, and the selection transistor SEL11-Tr is controlled through the control line (or control signal) SEL11.
The selection transistor SEL11-Tr is selected during a period in which the control line SEL11 is at H level and becomes conductive. Thereby, the source follower transistor SF11-Tr outputs the read voltage (signal) VSL (PIXOUT) of the column output obtained by converting the charge of the floating diffusion FD11 into a voltage signal with a gain corresponding to the charge amount (potential) to the vertical signal line LSGN Do.
画素部20には、画素PXLがN行×M列配置されているので、各制御線SEL、RST、TGはそれぞれN本、垂直信号線LSGNはM本ある。
図3においては、各制御線(または制御信号)SEL、RST、TGを1本の行走査制御線として表している。
In the
In FIG. 3, each control line (or control signal) SEL, RST, and TG is represented as one row scanning control line.
垂直走査回路30は、タイミング制御回路60の制御に応じてシャッター行および読み出し行において行走査制御線を通して画素の駆動を行う。
また、垂直走査回路30は、アドレス信号に従い、信号の読み出しを行うリード行と、フォトダイオードPDに蓄積された電荷をリセットするシャッター行の行アドレスの行選択信号を出力する。
The
Further, the
通常の画素読み出し動作においては、読み出し部70の垂直走査回路30による駆動により、シャッタースキャンが行われ、その後、読み出しスキャンが行われる。
In a normal pixel readout operation, shutter scanning is performed by driving of the
読み出し回路40は、画素部20の各列出力に対応して配置された複数の列信号処理回路(図示せず)を含み、複数の列信号処理回路で列並列処理が可能に構成されてもよい。
The
読み出し回路40は、相関二重サンプリング(CDS:Correlated Double Sampling)回路やADC(アナログデジタルコンバータ;AD変換器)、アンプ(AMP,増幅器)、サンプルホールド(S/H)回路等を含んで構成可能である。
The
このように、読み出し回路40は、たとえば図5(A)に示すように、画素部20の各列出力の読み出し信号VSLをデジタル信号に変換するADC41を含んで構成されてもよい。
あるいは、読み出し回路40は、たとえば図5(B)に示すように、画素部20の各列出力の読み出し信号VSLを増幅するアンプ(AMP)42が配置されてもよい。
また、読み出し回路40は、たとえば図5(C)に示すように、画素部20の各列出力の読み出し信号VSLをサンプル、ホールドするサンプルホールド(S/H)回路43が配置されてもよい。
As described above, the
Alternatively, in the
Further, as shown in FIG. 5C, for example, a sample and hold (S / H)
水平走査回路50は、読み出し回路40のADC等の複数の列信号処理回路で処理された信号を走査して水平方向に転送し、図示しない信号処理回路に出力する。
The
タイミング制御回路60は、画素部20、垂直走査回路30、読み出し回路40、水平走査回路50等の信号処理に必要なタイミング信号を生成する。
The
以上、固体撮像装置10の各部の構成および機能の概要について説明した。
次に、本第1の実施形態に係る画素配置の具体的な構成について説明する。
The outline of the configuration and function of each part of the solid-
Next, a specific configuration of the pixel arrangement according to the first embodiment will be described.
図6は、本第1の実施形態に係る単位画素グループを有する固体撮像装置(CMOSイメージセンサ)の各構成要素の概略的な配置例を平面的に示す図である。 FIG. 6 is a plan view schematically showing a schematic arrangement example of each component of a solid-state imaging device (CMOS image sensor) having a unit pixel group according to the first embodiment.
図6の画素部20は、図4の回路を平面化して示されており、4つの画素PXL11,PXL12,PXL21,PXL22が2×2の正方に配置されている。
より具体的には、矩形の配置領域AR10に、4つの画素PXL11,PXL12,PXL21,PXL22がそれぞれ配置される配置領域AR11,AR12,AR21,AR22が2×2の正方に割り当てられている。
The
More specifically, arrangement areas AR11, AR12, AR21, AR22 in which four pixels PXL11, PXL12, PXL21, PXL22 are respectively arranged in the rectangular arrangement area AR10 are allocated to a square of 2 × 2.
図6の画素部20は、4画素共有構成において、正方配列とした場合の構成を示し、画素PXL11がGb画素として形成され、画素PXL12がB画素として形成され、画素PXL21がR画素として形成され、画素PXL22がGr画素として形成されている。
The
そして、画素部20は、4つの画素PXL11,PXL12,PXL21,PXL22で、フローティングディフュージョンFD11、リセットトランジスタRST11−Tr、ソースフォロワトランジスタSF11−Tr、および選択トランジスタSEL11−Trが共有されている。
In the
図7は、本発明の第1の実施形態に係る固体撮像装置における単位画素グループの構成例を模式的に示す簡略断面図である。
なお、図7においては、理解を容易にするために、便宜的に、各第1の緑色(Gb)画素PXL11、青色(B)画素PXL12、赤色(R)画素PXL21、第2の緑色(Gr)画素PXL22の構成要素は一列に配列して示してある。
FIG. 7 is a simplified cross-sectional view schematically showing a configuration example of a unit pixel group in the solid-state imaging device according to the first embodiment of the present invention.
In FIG. 7, for ease of understanding, each first green (Gb) pixel PXL11, blue (B) pixel PXL12, red (R) pixel PXL 21 and second green (Gr) are conveniently used. The components of the
単位RGB画素グループ200は、マイクロレンズアレイ210、カラーフィルタアレイ220、光電変換部としてのフォトダイオードアレイ230、および平坦層240を主構成要素として構成されている。
The unit
カラーフィルタアレイ220は、各カラー画素を形成するように、第1の緑色(Gb)フィルタ領域221、青色(B)フィルタ領域222、赤色(R)フィルタ領域223、および第2の緑色(Gr)フィルタ領域224に区分けされている。
各第1の緑色(Gb)フィルタ領域221、青色(B)フィルタ領域222、赤色(R)フィルタ領域223、および第2の緑色(Gr)フィルタ領域224の光入射側には、マイクロレンズアレイ210のマイクロレンズMCLが配置されている。
The
On the light incident side of each first green (Gb)
光電変換部としてのフォトダイオードPD11、PD12、PD21、PD22は、第1基板面251側と、第1基板面251側と対向する側の第2基板面252側とを有する半導体基板250に対して埋め込むように形成され、受光した光の光電変換機能および電荷蓄積機能を有するように形成されている。
The photodiodes PD11, PD12, PD21, and PD22 as the photoelectric conversion units are provided to the
フォトダイオードアレイ230のフォトダイオードPD11、PD12、PD21、PD22は、平坦層240を介して第1基板面251側(裏面側)にカラーフィルタアレイ220が配置されている。
フォトダイオードPD11、PD12、PD21、PD22の第2基板面252側(前面側)には、光電変換し蓄積した電荷に応じた信号を出力する出力トランジスタ等を含む出力部231,232,233,234が形成されている。
In the photodiodes PD11, PD12, PD21, and PD22 of the
上記した構成を有する単位RGB画素グループ200における各カラー画素は、可視範囲(400nm〜700nm)において固有の特定の応答性を有するだけでなく、近赤外(NIR)領域(800nm〜1000nm)においても高い応答性を有する。
Each color pixel in the unit
本第1の実施形態に係るカラーフィルタアレイ220において、色(可視光)領域は近赤外領域の開始領域(たとえば850nm)までの範囲であり、赤色フィルタ、緑色フィルタ、青色フィルタは異なる透過率を有し、近赤外領域で90%以上と大きな透過率を有する。
In the
すなわち、本第1の実施形態において、第1の緑色(Gb)光電変換部であるフォトダイオードPD11、青色(B)光電変換部であるフォトダイオードPD12、赤色(R)光電変換部であるフォトダイオードPD21、および第2の緑色(Gr)光電変換部であるフォトダイオードPD22は、赤外(NIR)光電変換部としての機能を併せ持つ。 That is, in the first embodiment, the photodiode PD11 that is the first green (Gb) photoelectric conversion unit, the photodiode PD12 that is the blue (B) photoelectric conversion unit, and the photodiode that is the red (R) photoelectric conversion unit The PD 21 and the photodiode PD22, which is a second green (Gr) photoelectric conversion unit, also have a function as an infrared (NIR) photoelectric conversion unit.
図8(A)および(B)は、本第1の実施形態に係る固体撮像装置10における第1のモード時の読み出し動作と第2のモード時の読み出し動作を説明するための図である。
FIGS. 8A and 8B are diagrams for explaining the read operation in the first mode and the read operation in the second mode in the solid-
第1のモードMOD1(RGB画像取得モード)時には、読み出し部70の制御の下、図8(A)に示すように、第1の緑色(Gb)光電変換部であるフォトダイオードPD11、青色(B)光電変換部であるフォトダイオードPD12、赤色(R)光電変換部であるフォトダイオードPD21、および第2の緑色(Gr)光電変換部であるフォトダイオードPD22から読み出した信号を、そのまま出力する。
In the first mode MOD1 (RGB image acquisition mode), as shown in FIG. 8A under the control of the
第2のモードMOD2(NIR画像取得モード)時には、読み出し部70の制御の下、図9(B)に示すように、第1の緑色(Gb)光電変換部であるフォトダイオードPD11、青色(B)光電変換部であるフォトダイオードPD12、赤色(R)光電変換部であるフォトダイオードPD21、および第2の緑色(Gr)光電変換部であるフォトダイオードPD22から読み出した信号を複数(たとえばすべて)加算することが可能である。
In the second mode MOD2 (NIR image acquisition mode), as shown in FIG. 9B under the control of the
このように、本第1の実施形態に係る固体撮像装置10においては、RGB画像およびNIR画像を得ることができ、しかもNIR感度を高く保持することが可能となる。
As described above, in the solid-
以上のように、本第1の実施形態によれば、固体撮像装置10において、画素部20は光電変換を行う、可視光用の複数の色画素を含む単位RGB画素グループ200が配置され、複数の色(RGB)画素は、赤外光に対する受光感度を持ち、読み出し部は70、赤外読み出しモードMIRRD時には、複数の色画素から読み出した赤外光の信号を加算することが可能である。
たとえば、第1のモードMOD1(RGB画像取得モード)時には、読み出し部70の制御の下、第1の緑色(Gb)光電変換部であるフォトダイオードPD11を含むGb画素PXL11、青色(B)光電変換部であるフォトダイオードPD12を含むB画素PXL12、赤色(R)光電変換部であるフォトダイオードPD21を含むR画素PXL21、および第2の緑色(Gr)光電変換部であるフォトダイオードPD22を含むGb画素PXL22から読み出した信号を、そのまま出力する。
赤外読み出しモードMIRRDを含む第2のモードMOD2(NIR画像取得モード)時には、読み出し部70の制御の下、第1の緑色(Gb)光電変換部であるフォトダイオードPD11を含むGb画素PXL11、青色(B)光電変換部であるフォトダイオードPD12を含むB画素PXL12、赤色(R)光電変換部であるフォトダイオードPD21を含むR画素PXL21、および第2の緑色(Gr)光電変換部であるフォトダイオードPD22を含むGb画素PXL22から読み出した信号を複数(たとえばすべて)加算することが可能である。
As described above, according to the first embodiment, in the solid-
For example, in the first mode MOD1 (RGB image acquisition mode), under the control of the
In the second mode MOD2 (NIR image acquisition mode) including the infrared readout mode MIRRD, under control of the
このような構成を有する本第1の実施形態によれば、RGB等の可視光画像およびNIR等の赤外画像を得ることができ、しかも赤外光に対する受光感度を高く保持することが可能となる。
たとえば、監視カメラ等において、近赤外(NIR)領域のより高感度の所望の特性を得ることができる。
また、波長が800nm以上の近赤外(NIR)領域においては、画素の解像度を落とすことなく高感度のNIR画像を取得することができる。
According to the first embodiment having such a configuration, a visible light image such as RGB and an infrared image such as NIR can be obtained, and moreover, it is possible to maintain high light receiving sensitivity to infrared light. Become.
For example, in a surveillance camera or the like, desired characteristics with higher sensitivity in the near infrared (NIR) region can be obtained.
Further, in the near infrared (NIR) region having a wavelength of 800 nm or more, a high sensitivity NIR image can be acquired without degrading the resolution of the pixel.
(第2の実施形態)
図9は、本第2の実施形態に係る固体撮像装置における第2のモード時の読み出し動作を説明するための図である。
Second Embodiment
FIG. 9 is a diagram for explaining the read operation in the second mode in the solid-state imaging device according to the second embodiment.
本第2の実施形態が、第1の実施形態と異なる点は、次の通りである。
本第2の実施形態では、読み出し部70は、第1の緑色(Gb)光電変換部であるフォトダイオードPD11を含むGb画素PXL11、青色(B)光電変換部であるフォトダイオードPD12を含むB画素PXL12、赤色(R)光電変換部であるフォトダイオードPD21を含むR画素PXL21、および第2の緑色(Gr)光電変換部であるフォトダイオードPD22を含むGr画素PXL22から可視領域のカラー画素信号(RGB)と赤外領域の赤外画素信号(NIR)を同時並列的に読み出し(取得)可能である。
The difference between the second embodiment and the first embodiment is as follows.
In the second embodiment, the
本第2の実施形態に係る固体撮像装置10Aは、Gb画素PXL11、B画素PXL12、R画素PXL21、およびGr画素PXL22により、可視領域と、たとえば800nm以下の近赤外(NIR)領域の画素信号を取得可能で、近赤外(NIR)領域を含むカラー画像を取得可能である。
The solid-
読み出し部70は、第1の緑色(Gb)光電変換部であるフォトダイオードPD11を含むGb画素PXL11からカラー画素信号(G)と赤外領域の赤外画素信号(NIR)を同時並列的に読み出す(G+NIR)。
The
読み出し部70は、青色(B)光電変換部であるフォトダイオードPD12を含むBG素PXL12からカラー画素信号(B)と赤外領域の赤外画素信号(NIR)を同時並列的に読み出す(B+NIR)。
The
読み出し部70は、赤色(R)光電変換部であるフォトダイオードPD21を含むR画素PXL21からカラー画素信号(R)と赤外領域の赤外画素信号(NIR)を同時並列的に読み出す(R+NIR)。
The
読み出し部70は、第2の緑色(Gr)光電変換部であるフォトダイオードPD22を含むGr画素PXL22からカラー画素信号(G)と赤外領域の赤外画素信号(NIR)を同時並列的に読み出す(G+NIR)。
The
本第2の実施形態によれば、上述した第1の実施形態の効果と同様の効果を得ることができることはもとより、色付きのNIR画像を取得できることから、たとえば静脈と動脈を区別することができる。
すなわち、固体撮像装置10Aでは、色付きのある赤外画像の取得が可能であることから、たとえば人間の静脈と動脈はこの領域では別々の色付きで撮像できるため、より精度の良い、セキュリティレベルの高い生体認証(手のひらや、網膜等)が可能となる。
したがって、本第2の実施形態に係る固体撮像装置10Aは、静脈や動脈、あるいは虹彩認証等、生体認証技術に有効である。
According to the second embodiment, it is possible not only to obtain the same effect as that of the first embodiment described above but also to obtain a colored NIR image, so that, for example, veins and arteries can be distinguished. .
That is, in the solid-
Therefore, the solid-
(第3の実施形態)
図10は、本第3の実施形態に係る単位画素グループを有する固体撮像装置(CMOSイメージセンサ)の各構成要素の概略的な配置例を平面的に示す図である。
図11は、本第3の実施形態に係る固体撮像装置における第1のモード時の読み出し動作と第2のモード時の読み出し動作を説明するための図である。
Third Embodiment
FIG. 10 is a plan view schematically showing a schematic arrangement example of each component of a solid-state imaging device (CMOS image sensor) having a unit pixel group according to the third embodiment.
FIG. 11 is a diagram for explaining the read operation in the first mode and the read operation in the second mode in the solid-state imaging device according to the third embodiment.
本第3の実施形態が、第1の実施形態と異なる点は、次の通りである。
本第3の実施形態の単位画素グループ200Bは、配置領域AR22に配置される画素PXL22のフィルタを緑色(Gr)に代えて、赤外光を受光する赤外(NIR)光電変換部を含む赤外専用画素PXL22Bが配置され、単位RGBIR画素グループとして形成されている。
The difference between the third embodiment and the first embodiment is as follows.
In the
読み出し部70は、第1のモードMOD1時は、緑色光電変換部としてのフォトダイオードPD11を含むG画素PXL11、青色光電変換部としてのフォトダイオードPD12を含むB画素PXL12、赤色光電変換部としてのフォトダイオードPD21を含むR画素PXL21から読み出した画素信号をそのまま出力することが可能である。
あるいは、読み出し部70は、第1のモードMOD1時には、読み出し部70の制御の下、緑色光電変換部としてのフォトダイオードPD11を含むG画素PXL11、青色光電変換部としてのフォトダイオードPD12を含むB画素PXL12、赤色光電変換部としてのフォトダイオードPD21を含むR画素PXL21から読み出した信号に、赤外(NIR)光電変換部としてのフォトダイオードPD22を含む赤外専用画素PXL22Bから読み出した信号を加算することが可能である。
読み出し部70は、赤外読み出しモードMIRRDを含む第2のモードMOD2時は、図11に示すように、緑色光電変換部としてのフォトダイオードPD11を含むG画素PXL11、青色光電変換部としてのフォトダイオードPD12を含むB画素PXL12、赤色光電変換部としてのフォトダイオードPD21を含むR画素PXL21、および赤外光電変換部としてのフォトダイオードPD22を含む赤外専用画素PXL22Bから読み出した画素信号を加算することが可能である。
In the first mode MOD1, the
Alternatively, in the first mode MOD1, the
In the second mode MOD2 including the infrared readout mode MIRRD, the
本第3の実施形態において、赤外読み出しモードMIRRDは、第1の画素信号読み出しモードMIRRD1、第2の画素信号読み出しモードMIRRD2、第3の画素信号読み出しモードMIRRD3、および第4の画素信号読み出しモードMIRRD4を含む。
第1の画素信号読み出しモードMIRRD1では、赤外専用画素PXL22Bから赤外画素信号を読み出す。
第2の画素信号読み出しモードMIRRD2では、赤外専用画素PXL22B、および色画素であるG画素PXL11、B画素PXL12、R画素PXL21から赤外画素信号を読み出す。
第3の画素信号読み出しモードMIRRD3では、色画素であるG画素PXL11、B画素PXL12、R画素PXL21から赤外画素信号を読み出す。
第4の画素信号読み出しモードMIRRD4では、赤外専用画素PXL22B、および色画素であるG画素PXL11、B画素PXL12、R画素PXL21から読み出した赤外画素信号を加算する。
In the third embodiment, the infrared readout mode MIRRD includes a first pixel signal readout mode MIRRD1, a second pixel signal readout mode MIRRD2, a third pixel signal readout mode MIRRD3, and a fourth pixel signal readout mode. Includes MIRRD4.
In the first pixel signal readout mode MIRRD1, an infrared pixel signal is read out from the infrared only pixel PXL22B.
In the second pixel signal readout mode MIRRD2, infrared pixel signals are read out from the infrared dedicated pixel PXL22B and the G pixel PXL11, the B pixel PXL12, and the R pixel PXL21 which are color pixels.
In the third pixel signal readout mode MIRRD3, infrared pixel signals are read out from the G pixel PXL11, the B pixel PXL12, and the R pixel PXL21 which are color pixels.
In the fourth pixel signal readout mode MIRRD4, the infrared pixel signals read out from the infrared only pixel PXL22B and the G pixel PXL11, the B pixel PXL12, and the R pixel PXL21 which are color pixels are added.
本第3の実施形態において、読み出し部70は、第1の画素信号読み出しモードMIRRD1、第2の画素信号読み出しモードMIRRD2、第3の画素信号読み出しモードM、および第4の画素信号読み出しモードMIRRD4のうち、少なくとも2つの画素信号読み出しモードを切り替えてモードに応じた画素信号の読み出しを行うことが可能である。
In the third embodiment, the
図12は、本第3の実施形態に係る読み出し部における赤外読み出しモード時の第1〜第4の画素信号読み出しモードの切り替え制御を説明するためのフローチャートである。 FIG. 12 is a flowchart for describing switching control of the first to fourth pixel signal readout modes in the infrared readout mode in the readout unit according to the third embodiment.
読み出し部70は、図示しない制御系からのモード信号MODを受け(ST1)、受信したモード信号が第2のモード信号MOD2における赤外読み出しモードMIRRDの第1の画素信号読み出しモードMIRRD1であるか否かを判定する(ST2)。
読み出し部70は、ステップST2において、赤外読み出しモードMIRRDの第1の画素信号読み出しモードMIRRD1であると判定すると、赤外専用画素PXL22Bから赤外画素信号を読み出す(ST3)。
The
When it is determined in step ST2 that the read out
読み出し部70は、ステップST2において、赤外読み出しモードMIRRDの第1の画素信号読み出しモードMIRRD1でないと判定すると、第2の画素信号読み出しモードMIRRD2であるか否かを判定する(ST4)。
読み出し部70は、ステップST4において、赤外読み出しモードMIRRDの第2の画素信号読み出しモードMIRRD2であると判定すると、赤外専用画素PXL22B、および色画素であるG画素PXL11、B画素PXL12、R画素PXL21から赤外画素信号を読み出す(ST5)。
If it is determined in step ST2 that the first pixel signal readout mode MIRRD1 of the infrared readout mode MIRRD is not set, the
When the
読み出し部70は、ステップST4において、赤外読み出しモードMIRRDの第2の画素信号読み出しモードMIRRD2でないと判定すると、第3の画素信号読み出しモードMIRRD3であるか否かを判定する(ST6)。
読み出し部70は、ステップST6において、赤外読み出しモードMIRRDの第3の画素信号読み出しモードMIRRD3であると判定すると、色画素であるG画素PXL11、B画素PXL12、R画素PXL21から赤外画素信号を読み出す(ST7)。
If it is determined in step ST4 that the second pixel signal readout mode MIRRD2 of the infrared readout mode MIRRD is not set, the
When the
読み出し部70は、ステップST6において、赤外読み出しモードMIRRDの第3の画素信号読み出しモードMIRRD3でないと判定すると、第4の画素信号読み出しモードMIRRD4であるか否かを判定する(ST8)。
読み出し部70は、ステップST8において、赤外読み出しモードMIRRDの第4の画素信号読み出しモードMIRRD4であると判定すると、赤外専用画素PXL22B、および色画素であるG画素PXL11、B画素PXL12、R画素PXL21から読み出した赤外画素信号を加算する(ST9)。
If it is determined in step ST6 that the third pixel signal readout mode MIRRD3 of the infrared readout mode MIRRD is not selected, the
When it is determined in step ST8 that the fourth pixel signal readout mode MIRRD4 of the infrared readout mode MIRRD is selected, the
読み出し部70は、ステップST8において、赤外読み出しモードMIRRDの第4の画素信号読み出しモードMIRRD4でないと判定すると、たとえばステップST1の処理に戻り、上記した一連の動作を繰り返す。
If it is determined in step ST8 that the fourth pixel signal readout mode MIRRD4 of the infrared readout mode MIRRD is not selected, the
本第3の実施形態によれば、上述した第1の実施形態の効果と同様の効果を得ることができることはもとより、NIR感度のさらなる向上を図ることが可能となる。 According to the third embodiment, it is possible to further improve the NIR sensitivity as well as to obtain the same effects as the effects of the first embodiment described above.
(第4の実施形態)
図13は、本第4の実施形態に係る固体撮像装置(CMOSイメージセンサ)の概略的な構成例を示す簡略断面図である。
図14は、本第4の実施形態に係るカラーフィルタアレイおよび光学フィルタの透過特性を示す図である。
Fourth Embodiment
FIG. 13 is a simplified cross-sectional view showing a schematic configuration example of a solid-state imaging device (CMOS image sensor) according to the fourth embodiment.
FIG. 14 is a diagram showing transmission characteristics of the color filter array and the optical filter according to the fourth embodiment.
本第4の実施形態が、第3の実施形態と異なる点は、次の通りである。
本第4の実施形態では、赤色(R)光電変換部であるフォトダイオードPD11C、緑色(G)光電変換部であるフォトダイオードPD12C、および青色(B)光電変換部であるフォトダイオードPD21Cは、表記した順に配列されると共に、赤外(NIR)光電変換部であるフォトダイオードとしての機能を併せ持ち、赤外(NIR)光電変換部であるフォトダイオードPD22は設けられていない。
The difference of the fourth embodiment from the third embodiment is as follows.
In the fourth embodiment, the photodiode PD11C that is a red (R) photoelectric conversion unit, the photodiode PD12C that is a green (G) photoelectric conversion unit, and the photodiode PD21C that is a blue (B) photoelectric conversion unit The photodiodes are arranged in the above order and have a function as a photodiode which is an infrared (NIR) photoelectric conversion unit, and the photodiode PD22 which is an infrared (NIR) photoelectric conversion unit is not provided.
本第4の実施形態において、単位画素グループ200Cは、可視光と、特定の波長の赤外光を受光可能とする複数の光学フィルタを含む光学フィルタ群260を含んで構成されている。
そして、光学フィルタ群260は、赤色フィルタFLR−R、緑色フィルタFLT−G、および青色フィルタFLT−Bの各フィルタの光入射側に配置された第1の光学フィルタ261、並びに、カラーフィルタアレイ220Cの赤色フィルタFLR−R、緑色フィルタFLT−G、および青色フィルタFLT−Bの各フィルタと、赤色(R)光電変換部であるフォトダイオードPD11C、緑色(G)光電変換部であるフォトダイオードPD12C、および青色(B)光電変換部であるフォトダイオードPD21Cの一面側との間に配置された選択的赤外(セレクティブIR)カットマテリアルにより形成される第2の光学フィルタ262と、を含む。
In the fourth embodiment, the
The
なお、カラーフィルタアレイ220Cと第2の光学フィルタ262の配置位置は、図13の例に限定されるものではなく、マイクロレンズアレイ210側に第2の光学フィルタ262が配置され、フォトダイオードPD11C、PD12C、PD21Cの一面側にカラーフィルタアレイ220Cが配置されていてもよい。
The arrangement position of the
本第4の実施形態の固体撮像装置10Cは、光学系にIRフィルタ等の第1の光学フィルタ261を有し、オンチップ(On chip)上に選択的赤外(セレクティブIR)フィルタである第2の光学フィルタ262を有する。
A solid-state imaging device 10C according to the fourth embodiment includes a first
本第4の実施形態において、複数の光学フィルタは、たとえばバンドパスフィルタ(帯域通過フィルタ)により形成される。
図14の例では、第1の光学フィルタ261の通過(透過)波長帯域は、一例として、可視領域380nm〜780nm程度より広い波長帯域380nm〜1100nmである。
第2の光学フィルタ262の通過(透過)波長帯域は、一例として可視領域380nm〜780nm程度、並びに、900nm以上であり、第2の光学フィルタ262では、波長帯域780nm〜900nmは通過を阻止される。したがって、第2の光学フィルタ262は選択的赤外(IR)カットフィルタであるということも可能である。
In the fourth embodiment, the plurality of optical filters are formed by, for example, band pass filters (band pass filters).
In the example of FIG. 14, the transmission (transmission) wavelength band of the first
The transmission (transmission) wavelength band of the second
本第4の実施形態において、複数(本第4の実施形態では2)の光学フィルタ261,262のうちの少なくともいずれかは、受光波長の切り替えが可能である。
そして、第2の光学フィルタ262は、赤色(R)光電変換部であるフォトダイオードPD11C、緑色(G)光電変換部であるフォトダイオードPD12C、および青色(B)光電変換部であるフォトダイオードPD21Cの一面側(光入射側)に配置されている。
ただし、複数(本第4の実施形態では2)の光学フィルタ261,262は、光学系、パッケージ、および画素(ピクセル)上に配置されていればよい。
In the fourth embodiment, at least one of the plurality (two in the fourth embodiment) of the
The second
However, the plurality of (two in the fourth embodiment)
図14において、破線TC1で示す曲線が第1の光学フィルタ261の透過特性を示し、太い実線TC2で示す曲線が第2の光学フィルタ262の透過特性を示している。
本第4の実施形態において、第1の光学フィルタ261と第2の光学フィルタ262は、図14に示すように、通過波長帯域がずれている部分がある(カットオフ波長がずれている)。
In FIG. 14, the curve indicated by the broken line TC1 indicates the transmission characteristic of the first
In the fourth embodiment, as shown in FIG. 14, the first
光学フィルタ群260を含む固体撮像装置10Cは、図14に示すように、RGB等の可視光と、特定の波長の赤外光を透過し光電変換部で受光可能である。
本第4の実施形態において、特定の赤外波長は800nm〜1000nmであり、より好適には850nm〜950nmである。
As shown in FIG. 14, the solid-state imaging device 10C including the
In the fourth embodiment, the specific infrared wavelength is 800 nm to 1000 nm, more preferably 850 nm to 950 nm.
たとえば、通常の可視光画像と生体認証のため、波長が800〜1000nmの赤外光を受光するイメージセンサの場合、不要な650〜800nmや1000nm以上の赤外光を光学フィルタ群260でカットできれば、より混色の少ない良好なRGBの可視光画像とNIRの画像を取得することが可能となる。
For example, in the case of an image sensor that receives infrared light with a wavelength of 800 to 1000 nm for ordinary visible light image and biometric authentication, if unnecessary 650 to 800 nm or 1000 nm or more infrared light can be cut by the
本第4の実施形態によれば、上述した第1の実施形態の効果と同様の効果を得ることができることはもとより、クロストークのないRGB画像およびNIR画像を取得することができる。 According to the fourth embodiment, it is possible not only to obtain the same effect as that of the first embodiment described above but also to acquire an RGB image and an NIR image without crosstalk.
(第5の実施形態)
図15は、本第5の実施形態に係る固体撮像装置(CMOSイメージセンサ)の概略的な構成例を示す簡略断面図である。
図16は、本第5の実施形態に係るカラーフィルタアレイおよび光学フィルタの透過特性を示す図である。
図16において、太い実線TC11で示す曲線が第1の光学フィルタ261Dの透過特性を示している。
Fifth Embodiment
FIG. 15 is a simplified cross-sectional view showing a schematic configuration example of a solid-state imaging device (CMOS image sensor) according to the fifth embodiment.
FIG. 16 is a view showing the transmission characteristics of the color filter array and the optical filter according to the fifth embodiment.
In FIG. 16, a curve indicated by a thick solid line TC11 indicates the transmission characteristic of the first
本第5の実施形態が、第4の実施形態と異なる点は、次の通りである。
上述した第4の実施形態では、第1の光学フィルタ261の通過(透過)波長帯域は、一例として、可視領域380nm〜780nm程度より広い一つの波長帯域380nm〜1100nmである。
The difference of the fifth embodiment from the fourth embodiment is as follows.
In the fourth embodiment described above, the transmission (transmission) wavelength band of the first
これに対して、本第5の実施形態では、第1の光学フィルタ261Dの通過(透過)波長帯域として、複数(本第5の実施形態では2)の光波長帯域を持つように形成されている。
具体的には、第1の光学フィルタ261Dは、通過(透過)波長帯域として、少なくとも1つが可視光波長帯域(可視領域)380〜700nm程度の第1の通過(透過)領域TWB11と、赤外光波長帯域(赤外領域)850〜1000nm程度の第2の通過(透過)領域)TWB12の、2つの領域を持つように形成されている。
すなわち、第1の光学フィルタ261Dは、オンリッド(On lid)のデュアルバンドパスフィルタ(dual band pass filter)として機能するとともに、赤外(IR)フィルタとして機能する。
On the other hand, in the fifth embodiment, a plurality of (2 in the fifth embodiment) light wavelength bands are formed as the transmission (transmission) wavelength bands of the first
Specifically, in the first
That is, the first
図17は、光波長帯域間である可視光波長帯域と赤外光波長帯域間を光学的に遮光する場合に、遮光波長帯域端のカットオフ波長を決定する方法を説明するための図である。 FIG. 17 is a diagram for describing a method of determining the cutoff wavelength of the light shielding wavelength band end when optically blocking light between the visible light wavelength band and the infrared light wavelength band, which are between the light wavelength bands. .
複数の光波長帯域間、具体的には、図17に示すように、可視光波長帯域と赤外光波長帯域間を光学的に遮光する場合、遮光波長帯域端TSWBV、TSWBIRのカットオフ波長を第1の光学フィルタ261Dを形成する赤外フィルタまたはオンチップ上の第2の光学フィルタ262Dを形成する選択的赤外フィルタにより決定する。
When optically shielding light between a plurality of light wavelength bands, specifically, between a visible light wavelength band and an infrared light wavelength band as shown in FIG. 17, the cutoff wavelengths of the light shielding wavelength band ends TSWBV and TSWBIR are set. It is determined by an infrared filter forming the first
本第5の実施形態によれば、撮像したい光波長帯域を最小限の光学フィルタ(IRフィルタ)の枚数で選択できる。
たとえば、可視光帯域と赤外光帯域を撮像する場合、図16のような透過率を有するIRフィルタを使えば1枚で撮像可能となる。
According to the fifth embodiment, the light wavelength band desired to be imaged can be selected with the minimum number of optical filters (IR filters).
For example, in the case of imaging a visible light band and an infrared light band, imaging can be performed with one sheet by using an IR filter having a transmittance as shown in FIG.
また、セレクティブIRフィルタでカットオフ波長を決定する場合は角度依存性にも強くクロストークの抑制が可能となる。 In addition, when the cutoff wavelength is determined by the selective IR filter, crosstalk can be suppressed strongly even in the angle dependency.
(第6の実施形態)
図18は、本第6の実施形態に係る固体撮像装置(CMOSイメージセンサ)の概略的な構成例を示す簡略断面図である。
図19は、本第6の実施形態に係るカラーフィルタアレイおよび光学フィルタの透過特性を示す図である。
Sixth Embodiment
FIG. 18 is a simplified cross-sectional view showing a schematic configuration example of a solid-state imaging device (CMOS image sensor) according to the sixth embodiment.
FIG. 19 is a view showing the transmission characteristics of the color filter array and the optical filter according to the sixth embodiment.
本第6の実施形態が、第5の実施形態と異なる点は、次の通りである。
上述した第5の実施形態では、第1の光学フィルタ261Dの通過(透過)波長帯域として、複数(本第5の実施形態では2)の光波長帯域を持つように形成されている。
具体的には、第1の光学フィルタ261Eは、通過(透過)波長帯域として、少なくとも1つが可視光波長帯域(可視領域)380〜700nm程度の第1の通過(透過)領域TWBI1と、赤外光波長帯域(赤外領域)850〜1000nm程度の第2の通過(透過)領域TWB12の、2つの領域を持つように形成されている。
The sixth embodiment is different from the fifth embodiment in the following points.
In the fifth embodiment described above, a plurality of (2 in the fifth embodiment) light wavelength bands are formed as the transmission (transmission) wavelength bands of the first
Specifically, in the first
本第6の実施形態では、さらに、通過領域(通過帯域)を選択可能に構成されている。
光学フィルタ261Eは、図19に示すように、帯域Aを選択すると、可視光波長帯域(可視領域)380〜700nm程度の第1の通過(透過)領域TWBI1のみが撮像可能なIRフィルタとして機能する。
帯域Bを選択すると、赤外光波長帯域(赤外領域)850〜1000nm程度の第2の通過(透過)領域TWB12のみが撮像可能なIRフィルタとして機能する。
帯域C1を選択すると、可視光波長帯域(可視領域)380〜700nm程度の第1の通過(透過)領域TWBI1と赤外光波長帯域(赤外領域)850〜1000nm程度の第2の通過(透過)領域TWB12を同時に撮像可能なIRフィルタとして機能する。
In the sixth embodiment, the passband (passband) can be further selected.
As shown in FIG. 19, when the band A is selected, the
When the band B is selected, only the second transmission (transmission) area TWB 12 having an infrared light wavelength band (infrared area) of about 850 to 1000 nm functions as an IR filter that can be imaged.
When the band C1 is selected, a first transmission (transmission) region TWBI1 of about 380 to 700 nm in a visible light wavelength band (visible region) and a second transmission (transmission of about 850 to 1000 nm in an infrared light wavelength band (infrared region) ) Functions as an IR filter capable of simultaneously imaging the region TWB12.
本第6の実施形態によれば、撮像したい光波長帯域を最小限の光学フィルタ(IRフィルタ)の枚数で選択できる。 According to the sixth embodiment, the light wavelength band to be imaged can be selected with the minimum number of optical filters (IR filters).
(第7の実施形態)
図20は、本第7の実施形態に係る固体撮像装置(CMOSイメージセンサ)の概略的な構成例を示す簡略断面図である。
図21は、本第7の実施形態に係るカラーフィルタアレイおよび光学フィルタの透過特性を示す図である。
Seventh Embodiment
FIG. 20 is a simplified cross-sectional view showing a schematic configuration example of a solid-state imaging device (CMOS image sensor) according to the seventh embodiment.
FIG. 21 is a diagram showing the transmission characteristics of the color filter array and the optical filter according to the seventh embodiment.
図21において、横軸が波長を示し、縦軸がQE(量子化効率)を示している。また、図21において、TC21がオンリッド(On lid)のデュアルバンドパスフィルタ(dual band pass filter)として機能するとともに、赤外(IR)フィルタとして機能する第1の光学フィルタ261Fの透過特性を示し、TC22がオンチップのIRカットフィルタとして機能する第2の光学フィルタ262Fの透過特性を示している。
In FIG. 21, the horizontal axis indicates the wavelength, and the vertical axis indicates the QE (quantization efficiency). Further, in FIG. 21, TC21 indicates the transmission characteristics of the first
本第7の実施形態が、第6の実施形態と異なる点は、次の通りである。
本第7の実施形態では、選択的赤外フィルタである第2の光学フィルタ262Fが、赤外光波長帯域の透過を阻止する選択的赤外(IR)カットフィルタにより形成されている。
The seventh embodiment is different from the sixth embodiment in the following points.
In the seventh embodiment, the second
本第7の実施形態によれば、光学系のIRフィルタとオンチップのIRカットフィルタを組み合わせた構成をR、G、B画素として実現でき、撮像したい光波長帯域を最小限の光学フィルタ(IRフィルタ)の枚数で選択できる。 According to the seventh embodiment, the configuration in which the IR filter of the optical system and the IR cut filter of the on-chip are combined can be realized as R, G, B pixels, and the optical filter (IR It can be selected by the number of filters).
(第8の実施形態)
図22は、本第8の実施形態に係る固体撮像装置(CMOSイメージセンサ)の概略的な構成例を示す簡略断面図である。
図23は、本第8の実施形態に係るカラーフィルタアレイおよび光学フィルタの透過特性を示す図である。
Eighth Embodiment
FIG. 22 is a simplified cross-sectional view showing a schematic configuration example of a solid-state imaging device (CMOS image sensor) according to the eighth embodiment.
FIG. 23 is a view showing the transmission characteristics of the color filter array and the optical filter according to the eighth embodiment.
図23において、横軸が波長を示し、縦軸がQE(量子化効率)を示している。また、図23において、TC31がオンリッド(On lid)のデュアルバンドパスフィルタ(dual band pass filter)として機能するとともに、赤外(IR)フィルタとして機能する第1の光学フィルタ261Gの透過特性を示し、TC32がオンチップのIRパスフィルタとして機能する第2の光学フィルタ262Gの透過特性を示している。
In FIG. 23, the horizontal axis indicates the wavelength, and the vertical axis indicates the QE (quantization efficiency). Also, in FIG. 23, TC 31 indicates the transmission characteristics of the first
本第8の実施形態が、第6の実施形態と異なる点は、次の通りである。
本第8の実施形態では、選択的赤外フィルタである第2の光学フィルタ262Gが、赤外光波長帯域を透過する選択的赤外(IR)パスフィルタにより形成されている。
加えて、本第8の実施形態によれば、フィルタアレイ220Gの各FLTは、全可視波長帯域を透過するクリアフィルタ(clear filter)FLT−Cにより形成されている。
The eighth embodiment is different from the sixth embodiment in the following points.
In the eighth embodiment, the second
In addition, according to the eighth embodiment, each FLT of the
本第8の実施形態によれば、光学系のIRフィルタとオンチップのIRパスフィルタを組み合わせた構成をNIR画素として実現でき、撮像したい光波長帯域を最小限の光学フィルタ(IRフィルタ)の枚数で選択できる。 According to the eighth embodiment, the configuration in which the IR filter of the optical system and the on-chip IR pass filter are combined can be realized as NIR pixels, and the number of optical filters (IR filters) having a minimum light wavelength band desired to be captured Can be selected.
(第9の実施形態)
図24は、本第9の実施形態に係る固体撮像装置(CMOSイメージセンサ)の概略的な構成例を示す簡略断面図である。
図25は、本第9の実施形態に係るカラーフィルタアレイおよび光学フィルタの透過特性を示す図である。
Ninth Embodiment
FIG. 24 is a simplified cross-sectional view showing a schematic configuration example of a solid-state imaging device (CMOS image sensor) according to the ninth embodiment.
FIG. 25 is a diagram showing transmission characteristics of the color filter array and the optical filter according to the ninth embodiment.
図25において、横軸が波長を示し、縦軸がQE(量子化効率)を示している。また、図25において、TC41がオンリッド(On lid)のデュアルバンドパスフィルタ(dual band pass filter)として機能するとともに、赤外(IR)フィルタとして機能する第1の光学フィルタ261Hの透過特性を示している。
In FIG. 25, the horizontal axis indicates the wavelength, and the vertical axis indicates the QE (quantization efficiency). Further, in FIG. 25, the
本第9の実施形態が、第6の実施形態と異なる点は、次の通りである。
本第9の実施形態では、選択的赤外フィルタである第2の光学フィルタ262Hおよびフィルタアレイ220Hの各FLTは、全可視波長帯域を透過するクリアフィルタ(clear filter)FLT−Cにより形成されている。
The difference of the ninth embodiment from the sixth embodiment is as follows.
In the ninth embodiment, each FLT of the second
本第9の実施形態によれば、光学系のIRフィルタとオンチップのIRパスフィルタを組み合わせた構成を白黒画素とNIR画素として実現でき、撮像したい光波長帯域を最小限の光学フィルタ(IRフィルタ)の枚数で選択できる。 According to the ninth embodiment, a configuration combining an IR filter of an optical system and an IR pass filter of an on-chip can be realized as a black and white pixel and an NIR pixel, and an optical filter (IR filter having a minimum light wavelength band desired to be imaged) Can be selected by the number of
(第10の実施形態)
図26は、本第10の実施形態に係る固体撮像装置(CMOSイメージセンサ)の概略的な構成例を示す簡略断面図である。
図27は、本第10の実施形態に係るカラーフィルタアレイおよび光学フィルタの透過特性を示す図である。
Tenth Embodiment
FIG. 26 is a schematic cross-sectional view showing a schematic configuration example of a solid-state imaging device (CMOS image sensor) according to the tenth embodiment.
FIG. 27 is a view showing the transmission characteristics of the color filter array and the optical filter according to the tenth embodiment.
本第10の実施形態が、第4の実施形態と異なる点は、次の通りである。
本第10の実施形態において、光学フィルタ群260Iにおいて、赤色フィルタFLR−R、緑色フィルタFLT−G、および青色フィルタFLT−Bの各フィルタの光入射側に第3の光学フィルタ263が配置されることが可能である。
たとえば、CMOSイメージセンサ(CIS)のオンチップ上に第2の赤外カットフィルタ262Iが形成され、CISのガラスリッドの上下か、光学レンズ系に第1の光学フィルタ261または(/および)第3の光学フィルタ263が形成される。
The tenth embodiment is different from the fourth embodiment in the following points.
In the tenth embodiment, in the optical filter group 260I, the third
For example, a second infrared cut filter 262I is formed on the on-chip of a CMOS image sensor (CIS), and the first
図27において、破線TC1で示す曲線が第1の光学フィルタ261の透過特性を示し、太い実線TC2で示す曲線が第2の光学フィルタ262の透過特性を示し,太い実線TC3で示す曲線が第3の光学フィルタ263の透過特性を示している。
図27の例では、第3の光学フィルタ263の通過波長帯域は、一例として、可視領域380nm〜780nm程度より広い波長帯域380nm〜950nm程度である。
In FIG. 27, the curve indicated by the broken line TC1 indicates the transmission characteristic of the first
In the example of FIG. 27, the passing wavelength band of the third
本第10の実施形態において、複数の光学フィルタの受光波長を切り替えることにより(たとえば複数の光学フィルタの組み合わせを切り替えることにより)、可視光のみを受光する第1の受光モードと、赤外光を含む入射光を受光可能な第2の受光モードへの切り替えが可能である。 In the tenth embodiment, a first light receiving mode for receiving only visible light by switching light receiving wavelengths of a plurality of optical filters (for example, by switching a combination of a plurality of optical filters) and infrared light It is possible to switch to a second light receiving mode capable of receiving incident light including light.
本第10の実施形態では、たとえば、可視光のみを受光する第1の受光モードでは、第2の光学フィルタ262と第3の光学フィルタ263による撮像が行われる。
赤外光を含む入射光を受光可能な第2の受光モードでは、第1の光学フィルタ261と第2の光学フィルタ262による撮像が行われる。
In the tenth embodiment, for example, in the first light receiving mode in which only visible light is received, imaging by the second
In the second light receiving mode capable of receiving incident light including infrared light, imaging with the first
本第10の実施形態によれば、上述した第4の実施形態の効果と同様の効果を得ることができることはもとより、よりクロストークのないRGB画像およびNIR画像を取得することができる。 According to the tenth embodiment, it is possible not only to obtain the same effect as that of the fourth embodiment described above, but also to obtain an RGB image and an NIR image without crosstalk.
以上説明した固体撮像装置10,10A〜10Iは、デジタルカメラやビデオカメラ、携帯端末、あるいは監視用カメラ、医療用内視鏡用カメラなどの電子機器に、撮像デバイスとして適用することができる。
The solid-
図28は、本発明の実施形態に係る固体撮像装置が適用されるカメラシステムを搭載した電子機器の構成の一例を示す図である。 FIG. 28 is a view showing an example of the configuration of an electronic apparatus equipped with a camera system to which the solid-state imaging device according to the embodiment of the present invention is applied.
本電子機器100は、図28に示すように、本実施形態に係る固体撮像装置10が適用可能なCMOSイメージセンサ110を有する。
さらに、電子機器100は、このCMOSイメージセンサ110の画素領域に入射光を導く(被写体像を結像する)光学系(レンズ等)120を有する。
電子機器100は、CMOSイメージセンサ110の出力信号を処理する信号処理回路(PRC)130を有する。
As illustrated in FIG. 28, the
Further, the
The
信号処理回路130は、CMOSイメージセンサ110の出力信号に対して所定の信号処理を施す。
信号処理回路130で処理された画像信号は、液晶ディスプレイ等からなるモニタに動画として映し出し、あるいはプリンタに出力することも可能であり、またメモリカード等の記録媒体に直接記録する等、種々の態様が可能である。
The
The image signal processed by the
上述したように、CMOSイメージセンサ110として、前述した固体撮像装置10,10A〜10Iを搭載することで、高性能、小型、低コストのカメラシステムを提供することが可能となる。
そして、カメラの設置の要件に実装サイズ、接続可能ケーブル本数、ケーブル長さ、設置高さなどの制約がある用途に使われる、たとえば、監視用カメラ、医療用内視鏡用カメラなどの電子機器を実現することができる。
As described above, by mounting the solid-
And, electronic equipment such as surveillance cameras, medical endoscope cameras, etc. used for applications where restrictions on the mounting size, number of connectable cables, cable length, installation height etc. are required for camera installation requirements Can be realized.
10,10A〜10I・・・固体撮像装置、20・・・画素部、PXL11,PXL12,PXL21,PXL22・・・画素、PD11,PD12,PD21,PD22・・・フォトダイオード、200,200A,200C〜200I・・・単位RGB画素グループ、200B・・・単位RGBIR画素グループ、210・・・マイクロレンズアレイ、220・・・カラーフィルタアレイ、220G,220H・・・フィルタアレイ、230・・・フォトダイオードアレイ、240・・・平坦層、250・・・半導体基板、260・・・光学フィルタ群,261,261D〜261I・・・第1の光学フィルタ、262,262D〜262I・・・第2の光学フィルタ、263・・・第3の光学フィルタ、30・・・垂直走査回路、40・・・水平走査回路、50・・・読み出し回路、60・・・タイミング制御回路、70・・・読み出し部、100・・・電子機器、110・・・CMOSイメージセンサ、120・・・光学系、130・・・信号処理回路(PRC)。
10, 10A to 10I: solid-state imaging device, 20: pixel portion, PXL11, PXL12, PXL21, PXL22: pixel, PD11, PD12, PD21, PD22: photodiode, 200, 200A, 200C 200I: unit RGB pixel group, 200B: unit RGBIR pixel group, 210: microlens array, 220: color filter array, 220G, 220H: filter array, 230: photodiode array 240: flat layer 250: semiconductor substrate 260:
Claims (25)
前記画素部から画素信号の読み出しを行う読み出し部と、を有し、
前記可視光用の複数の前記画素は、赤外光に対する受光感度を持ち、
前記読み出し部は、
赤外読み出しモード時には、前記可視光用の複数の前記画素から読み出した赤外光の信号を加算することが可能である
固体撮像装置。 A pixel unit in which a unit pixel group including at least a plurality of pixels for visible light which performs photoelectric conversion is disposed;
And a reading unit for reading a pixel signal from the pixel unit.
The plurality of pixels for visible light have photosensitivity to infrared light,
The reading unit is
In the infrared readout mode, it is possible to add signals of infrared light read out from the plurality of pixels for visible light. Solid-state imaging device.
請求項1記載の固体撮像装置。 The solid-state imaging device according to claim 1, wherein a wavelength of the infrared light is 800 nm or more.
前記可視光用の前記画素から可視領域のカラー画素信号と赤外領域の赤外画素信号を同時並列的に読み出し可能である
請求項1記載の固体撮像装置。 The reading unit is
The solid-state imaging device according to claim 1, wherein a color pixel signal in a visible region and an infrared pixel signal in an infrared region can be simultaneously read out in parallel from the pixels for visible light.
請求項3記載の固体撮像装置。 The solid-state imaging device according to claim 3, wherein the infrared pixel signal is a signal in a near-infrared region having a wavelength of 800 nm or less.
前記可視光用の複数の画素を含む単位画素グループが配置され、
前記単位画素グループは、
一面側から入射した光を光電変換する機能を有し、前記複数の可視光波長帯域に対応する複数の光電変換部を含み、
前記複数の光電変換部は、
赤色領域に対応する赤色光電変換部、緑色領域に対応する緑色光電変換部、および青緑色領域に対応する青色光電変換部を含み、
前記読み出し部は、
第1のモード時は、前記赤色光電変換部、前記緑色光電変換部、前記青色光電変換部から読み出した信号をそのまま出力することが可能であり、
前記赤外読み出しモードを含む第2のモード時は、前記赤色光電変換部、前記緑色光電変換部、前記青色光電変換部から読み出した信号を加算することが可能である
請求項1から4のいずれか一に記載の固体撮像装置。 The pixel unit is
A unit pixel group including a plurality of pixels for visible light is disposed;
The unit pixel group is
It has a function of photoelectrically converting light incident from one side, and includes a plurality of photoelectric conversion units corresponding to the plurality of visible light wavelength bands,
The plurality of photoelectric conversion units are
A red photoelectric conversion unit corresponding to a red region, a green photoelectric conversion unit corresponding to a green region, and a blue photoelectric conversion unit corresponding to a blue green region;
The reading unit is
In the first mode, it is possible to output the signals read from the red photoelectric conversion unit, the green photoelectric conversion unit, and the blue photoelectric conversion unit as they are,
In the second mode including the infrared readout mode, the signals read from the red photoelectric conversion unit, the green photoelectric conversion unit, and the blue photoelectric conversion unit can be added. The solid-state imaging device according to claim 1.
前記可視光用の複数の前記画素および赤外光を受光する赤外専用画素を含む単位画素グループが配置され、
前記赤外読み出しモードは、
前記赤外専用画素から赤外画素信号を読み出す第1の画素信号読み出しモードと、
前記赤外専用画素および前記可視光用の前記画素から赤外画素信号を読み出す第2の画素信号読み出しモードと、
前記可視光用の前記画素から赤外画素信号を読み出す第3の画素信号読み出しモードと、
前記赤外専用画素および前記可視光用の前記画素から読み出した赤外画素信号を加算する第4の画素信号読み出しモードと、を含む
請求項1記載の固体撮像装置。 The pixel unit is
A unit pixel group including the plurality of pixels for visible light and an infrared dedicated pixel for receiving infrared light;
The infrared readout mode is
A first pixel signal readout mode for reading out an infrared pixel signal from the infrared dedicated pixel;
A second pixel signal readout mode for reading out an infrared pixel signal from the infrared dedicated pixel and the pixel for visible light;
A third pixel signal readout mode for reading out an infrared pixel signal from the pixel for visible light;
The solid-state imaging device according to claim 1, further comprising: a fourth pixel signal readout mode in which an infrared pixel signal read out from the infrared dedicated pixel and the pixel for visible light is added.
前記第1の画素信号読み出しモード、前記第2の画素信号読み出しモード、前記第3の画素信号読み出しモード、および前記第4の画素信号読み出しモードのうち、少なくとも2つの画素信号読み出しモードを切り替えてモードに応じた画素信号の読み出しを行うことが可能である
請求項6記載の固体撮像装置。 The reading unit is
At least two pixel signal readout modes are switched among the first pixel signal readout mode, the second pixel signal readout mode, the third pixel signal readout mode, and the fourth pixel signal readout mode. The solid-state imaging device according to claim 6, wherein it is possible to read out a pixel signal according to.
一面側から入射した光を光電変換する機能を有し、前記複数の可視光波長帯域に対応する複数の光電変換部を含み、
前記複数の光電変換部は、
赤色領域に対応する赤色光電変換部、緑色領域に対応する緑色光電変換部、青緑色領域に対応する青色光電変換部、および赤外領域に対応する赤外光電変換部を含み、
前記読み出し部は、
第1のモード時は、前記赤色光電変換部、前記緑色光電変換部、前記青色光電変換部から読み出した信号をそのまま出力することが可能であり、
前記赤外読み出しモードを含む第2のモード時は、前記赤色光電変換部、前記緑色光電変換部、前記青色光電変換部、および前記赤外光電変換部から読み出した信号を加算することが可能である
請求項6または7記載の固体撮像装置。 The unit pixel group is
It has a function of photoelectrically converting light incident from one side, and includes a plurality of photoelectric conversion units corresponding to the plurality of visible light wavelength bands,
The plurality of photoelectric conversion units are
A red photoelectric conversion unit corresponding to a red region, a green photoelectric conversion unit corresponding to a green region, a blue photoelectric conversion unit corresponding to a blue-green region, and an infrared photoelectric conversion unit corresponding to an infrared region;
The reading unit is
In the first mode, it is possible to output the signals read from the red photoelectric conversion unit, the green photoelectric conversion unit, and the blue photoelectric conversion unit as they are,
In the second mode including the infrared readout mode, it is possible to add the signals read from the red photoelectric conversion unit, the green photoelectric conversion unit, the blue photoelectric conversion unit, and the infrared photoelectric conversion unit. The solid-state imaging device according to claim 6.
可視光と、特定の波長の赤外光を受光可能とする複数の光学フィルタを含む
請求項1から5のいずれか一に記載の固体撮像装置。 The unit pixel group is
The solid-state imaging device according to any one of claims 1 to 5, comprising a plurality of optical filters capable of receiving visible light and infrared light of a specific wavelength.
請求項9記載の固体撮像装置。 The solid-state imaging device according to claim 9, wherein the specific infrared wavelength is 800 nm to 1000 nm.
請求項9または10記載の固体撮像装置。 The solid-state imaging device according to claim 9, wherein at least one optical filter among the plurality of optical filters is capable of switching a light reception wavelength.
請求項9から11のいずれか一に記載の固体撮像装置。 The solid-state imaging device according to any one of claims 9 to 11, wherein at least one optical filter among the plurality of optical filters is disposed on the light incident side of a photoelectric conversion unit that performs photoelectric conversion.
請求項9から12のいずれか一に記載の固体撮像装置。 By switching the light receiving wavelength of the plurality of optical filters, it is possible to switch between a first light receiving mode that receives only visible light and a second light receiving mode that can receive incident light including infrared light. Item 13. The solid-state imaging device according to any one of items 9 to 12.
請求項9から13のいずれか一に記載の固体撮像装置。 The solid-state imaging device according to any one of claims 9 to 13, wherein the plurality of optical filters are shifted in passing wavelength band.
複数の可視光用のフィルタが配置されたフィルタアレイと、
一面側に配置された前記各フィルタを透過した光を光電変換する機能を有し、前記複数のフィルタに対応する複数の可視光用の光電変換部と、を含み、
前記光学フィルタは、
前記カラーフィルタの光入射側に配置された第1の光学フィルタと、
前記複数の光電変換部の光入射側に配置された第2の光学フィルタと、を含む
請求項9から14のいずれか一に記載の固体撮像装置。 The unit pixel group is
A filter array in which a plurality of filters for visible light are arranged;
It has a function of photoelectrically converting light transmitted through the filters disposed on one side, and includes a plurality of visible light photoelectric conversion units corresponding to the plurality of filters,
The optical filter is
A first optical filter disposed on the light incident side of the color filter;
The solid-state imaging device according to any one of claims 9 to 14, comprising: a second optical filter disposed on a light incident side of the plurality of photoelectric conversion units.
前記第2の光学フィルタがオンチップ上の選択的赤外フィルタにより形成され、
前記第1の光学フィルタを形成する前記赤外フィルタは、複数の光波長帯域を透過する
請求項15記載の固体撮像装置。 The first optical filter is formed by an infrared filter.
The second optical filter is formed by an on-chip selective infrared filter,
The solid-state imaging device according to claim 15, wherein the infrared filter forming the first optical filter transmits a plurality of light wavelength bands.
請求項16記載の固体撮像装置。 The solid-state imaging device according to claim 16, wherein at least one of the plurality of light wavelength bands is a visible light wavelength band or an infrared light wavelength band.
請求項16または17記載の固体撮像装置。 When optically shielding between the plurality of light wavelength bands, an infrared filter forming the first optical filter or a second optical filter on the on-chip is formed at the cutoff wavelength of the light shielding wavelength band end The solid-state imaging device according to claim 16 or 17, which is determined by the selective infrared filter.
請求項16から18のいずれか一に記載の固体撮像装置。 The solid-state imaging device according to any one of claims 16 to 18, wherein the selective infrared filter is formed by a selective infrared cut filter that blocks transmission of an infrared light wavelength band.
前記フィルタアレイのフィルタは、少なくとも全可視波長帯域を透過するクリアフィルタにより形成されている
請求項16から18のいずれか一に記載の固体撮像装置。 The selective infrared filter is formed by a selective infrared pass filter transmitting an infrared light wavelength band,
The solid-state imaging device according to any one of claims 16 to 18, wherein the filters of the filter array are formed by a clear filter that transmits at least the entire visible wavelength band.
請求項16から18のいずれか一に記載の固体撮像装置。 The solid-state imaging device according to any one of claims 16 to 18, wherein the selective infrared filter and the filter of the filter array are formed by a clear filter that transmits at least an entire visible wavelength band.
前記カラーフィルタの光入射側に配置された第3の光学フィルタをさらに含み、
可視光のみを受光する第1の受光モードでは、前記第2の光学フィルタと前記第3の光学フィルタによる撮像が行われ、
赤外光を含む入射光を受光可能な第2の受光モードでは、前記第1の光学フィルタと前記第2の光学フィルタによる撮像が行われる
請求項15記載の固体撮像装置。 The plurality of optical filters are
Further including a third optical filter disposed on the light incident side of the color filter,
In a first light reception mode for receiving only visible light, imaging is performed by the second optical filter and the third optical filter,
The solid-state imaging device according to claim 15, wherein in the second light receiving mode capable of receiving incident light including infrared light, imaging with the first optical filter and the second optical filter is performed.
赤色領域に対応する赤色光電変換部、緑色領域に対応する緑色光電変換部、および青緑色領域に対応する青色光電変換部を含み、
請求項15から19、22のいずれか一に記載の固体撮像装置。 The plurality of photoelectric conversion units are
A red photoelectric conversion unit corresponding to a red region, a green photoelectric conversion unit corresponding to a green region, and a blue photoelectric conversion unit corresponding to a blue green region;
The solid-state imaging device according to any one of claims 15 to 19, 22.
前記可視光用の複数の前記画素は、赤外光に対する受光感度を持つ
固体撮像装置の駆動方法であって、
赤外読み出しモード時には、前記可視光用の複数の前記画素から赤外光の信号を読み出し、読み出した赤外光の信号を加算する
固体撮像装置の駆動方法。 It has a pixel section in which a unit pixel group including at least a plurality of pixels for visible light to be subjected to photoelectric conversion is disposed,
The plurality of pixels for visible light may have a light receiving sensitivity to infrared light.
In the infrared readout mode, signals of infrared light are read out from the plurality of pixels for visible light, and the read out signals of infrared light are added.
前記固体撮像装置に被写体像を結像する光学系と、を有し、
前記固体撮像装置は、
光電変換を行う、少なくとも可視光用の複数の画素を含む単位画素グループが配置された画素部と、
前記画素部から画素信号の読み出しを行う読み出し部と、を有し、
前記可視光用の複数の前記画素は、赤外光に対する受光感度を持ち、
前記読み出し部は、
赤外読み出しモード時には、前記可視光用の複数の前記画素から読み出した赤外光の信号を加算することが可能である
電子機器。 A solid-state imaging device,
An optical system for forming an object image on the solid-state imaging device;
The solid-state imaging device is
A pixel unit in which a unit pixel group including at least a plurality of pixels for visible light which performs photoelectric conversion is disposed;
And a reading unit for reading a pixel signal from the pixel unit.
The plurality of pixels for visible light have photosensitivity to infrared light,
The reading unit is
In the infrared readout mode, it is possible to add infrared light signals read out from the plurality of pixels for visible light.
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