JP4882297B2 - 物理情報取得装置、半導体装置の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、物理情報取得装置、複数の単位構成要素が配列されてなる物理量分布検知の半導体装置の製造方法に関する。より詳細には、たとえば光や放射線などの外部から入力される電磁波に対して感応性をする複数の単位構成要素が配列されてなり、単位構成要素によって電気信号に変換された物理量分布を電気信号として読出可能な物理量分布検知の半導体装置を利用した固体撮像装置などへの適用に好適な信号取得技術に関する。特に、可視光以外の波長成分（たとえば赤外光）による撮像をも可能とした撮像装置に関する。

光や放射線などの外部から入力される電磁波などの物理量変化に対して感応性をする単位構成要素（たとえば画素）をライン状もしくはマトリクス状に複数個配列してなる物理量分布検知半導体装置が様々な分野で使われている。

たとえば、映像機器の分野では、物理量の一例である光（電磁波の一例）の変化を検知するＣＣＤ（Charge Coupled Device ）型あるいはＭＯＳ（Metal Oxide Semiconductor ）やＣＭＯＳ（Complementary Metal-oxide Semiconductor ）型の固体撮像装置が使われている。これらは、単位構成要素（固体撮像装置にあっては画素）によって電気信号に変換された物理量分布を電気信号として読み出す。

たとえば、固体撮像装置は、デバイス部の撮像部（画素部）に設けられている光電変換素子（受光素子；フォトセンサ）であるフォトダイオードにて、光や放射線などの外部から入力される電磁波を検知して信号電荷を生成・蓄積し、この蓄積された信号電荷（光電子）を、画像情報として読み出す。

また最近では、可視光による像と赤外光による像を撮像する仕組みが提案されている（たとえば特許文献１〜７を参照）。たとえば赤外線の発光点を予め用意してそれを追跡することで、可視光の像の中にある赤外光の発光点の位置を検出することができる。また可視光のない、たとえば夜間においても赤外光を照射して撮像することで鮮明な像を得ることができる。さらに、可視光に加えて赤外光を取り入れることで感度を向上させることができる。

特開２００４−１０３９６４号公報 特開平１０−２１０４８６号公報 特開２００２−３６９０４９号公報 特開平０６−１２１３２５号公報 特開平０９−１６６４９３号公報 特開平０９−１３０６７８号公報 特開２００２−１４２２２８号公報

特許文献１に記載の仕組みは、半導体の深さ方向における波長による吸収係数の違いを利用した単板式のものである。

また特許文献２〜４に記載の仕組みは、入力光学系に波長分離用のミラーやプリズムなどの波長分解光学系を使い、可視光と赤外光を個別の撮像素子で受光する多板式のものである。

また特許文献５に記載の仕組みは、入力光学系に回転式の波長分解光学系を使い、可視光と赤外光を同一の撮像素子で受光する単板式のものである。たとえば、赤外光カットフィルタの挿入／抜出を回転機構的に行ない、赤外光カットフィルタを挿入している場合は近赤外光および赤外光の影響のない可視光カラー画像を、赤外光カットフィルタを抜き出している場合は可視光および近赤外光の光強度を加算した画像を出力する。

また特許文献６に記載の仕組みは、入力光学系に波長分解機能を持つ絞り光学系を使い、可視光と赤外光を同一の撮像素子で受光するものである。

また特許文献７に記載の仕組みは、可視光および近赤外光に感度を有する撮像素子の各画素に、別個のフィルタ特性を有する４種類の色フィルタを規則的に配設し、４種類の色フィルタを配設した各画素の出力をマトリクス演算することにより、可視光カラー画像および近赤外光画像をそれぞれ独立に求めるものである。

図５３は、特許文献１に記載のセンサの仕組みを説明する図であって、図５３（Ａ）は半導体層の光吸収スペクトル特性を示す図、図５３（Ｂ）は、デバイスの断面構造の模式図である。

この仕組みにおいては、Ｓｉ（シリコン）半導体の光の吸収係数が図５３（Ａ）に示すように青，緑，赤，赤外光の順に小さくなる、すなわち入射光Ｌ１に含まれる青色光、緑色光、赤色光、および赤外光に関しては、半導体の深さ方向において波長による場所依存性を呈することを利用して、図５３（Ｂ）に示すように、Ｓｉ半導体の表面から深さ方向に可視光（青，緑，赤）および赤外光の各色光を検出するための層を順次設けている。

しかしながら、波長による吸収係数の違いを利用した特許文献１に記載の仕組みでは、理論上検知できる光量が低下しないが、青色光を検知する層では赤色光や緑色光が通過するときにある程度吸収を受けるためにそれらの光が青色光として検知されてしまう。このために、青の信号が本来ない場合でも緑や赤の信号が入ることで青にも信号が入り偽信号が生じてしまうことになるので、十分な色再現性を得られない。

これを避けるためには、３原色全体で計算による信号処理で補正を行なう必要があり、計算に必要な回路を別途必要となるので、その分だけ回路構成が複雑・大規模になり、またコスト的に高くなる。さらに、たとえば３原色のうちどれか１色が飽和するとその飽和した光の本来の値が判らなくなることで計算に狂いが生じ、結果として本来の色とは異なるように信号を処理することになる。

また、図５３（Ａ）に示すように、殆どの半導体は赤外光に対して吸収感度を有する。したがって、たとえばＳｉ半導体を用いた固体撮像装置（イメージセンサ）などにおいては通常、減色フィルタの一例としてガラス製の赤外線カットフィルタをセンサの前に入れる必要がある。

よって、赤外光のみ、あるいは可視光と赤外光を信号として受け取って撮像するためには、赤外線カットフィルタを外すか、赤外光のカットする割合を低くする必要がある。

ところが、このようにすると、赤外光が可視光に混じって光電変換素子に入射することになるので、可視光の像の色合いが本来のものとは異なることになる。したがって、可視光の像と赤外光のみ（または赤外光と可視光の混合）を同時に分けて各々適切な画像を得ることが困難である。

また上述の課題とは別に、通常の固体撮像装置のように赤外線カットフィルタを用いることによって、可視光も幾らかカットされるので感度が落ちることになる。また赤外線カットフィルタを用いることによってコストが高くなる。

また特許文献２〜４に記載の仕組みは、波長分離用のミラーやプリズムなどの波長分解光学系のため入力光学系が大がかりとなる。

また特許文献５に記載の仕組みは、赤外光カットフィルタの挿入／抜出機構のため、装置が大がかりとなるし、赤外光カットフィルタの操作は自動的に行なえない。

また特許文献６に記載の仕組みは、波長分解機能を持つ絞り光学系のため、装置が大がかりとなる。加えて、赤外線画像と可視光線画像の両方を同時に得ることができるものの、イメージセンサからは、この可視光線画像および赤外線画像を合成した電気信号しか出力できず、可視光線画像のみあるいは赤外線画像のみを出力することができない。

これに対して、特許文献７に記載の仕組みは、４種類の色フィルタを配設することで波長分離を行なうので、特許文献２〜６のような入力光学系が大がかりとなる問題がないものの、演算処理に問題がある。すなわち、特許文献７に記載の仕組みは、別個のフィルタ特性を有する４種類の色フィルタを配設した各画素の出力をマトリクス演算することで、可視光カラー画像および近赤外光画像をそれぞれ独立に求めるので、可視光線画像と赤外線画像とを個別かつ同時に出力できるものの、可視光線画像を得る際にも、赤外光成分との間での演算処理が必要になり、全体としての演算処理が大幅になる。

本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、上述した問題の少なくとも１つを解決し得る新たな仕組みとその仕組みに使用される装置の製造方法を提供することを目的とする。

一例として、同じイメージセンサで可視光カラー画像および近赤外光画像を独立に得る新たな仕組みの撮像装置を提供する。

また、他の例として、同じイメージセンサで可視光による像と赤外光による像を同時に撮像する場合に、赤外光カットフィルタを外すことによる色合いが本来のものと異なる点を解決することで、色合いが正確な可視光による像と赤外光や紫外光による像を同時に撮像することができる仕組みを提供する。

また、他の例として、通常のイメージセンサのように厚みのあるガラス製の赤外線カットフィルタを用いることによるコストが高くなる点を解決することができる仕組みを提供する。

本発明に係る物理情報取得装置は、屈折率が異なる層を複数積層した構造を持つ積層膜を利用して通過波長領域成分と反射波長領域成分とを波長分離することで、両者の成分信号を個別の検出部で、独立にあるいは同時に取得するようにしたことに特徴を持つ。

すなわち、本発明に係る物理情報取得装置は、電磁波を検知する第１検知部と、第１検知部で検知された電磁波量に基づいて対応する単位信号を生成して出力する第１単位信号生成部と、第１検知部の電磁波が入射する入射面側に配置され、電磁波の所定の波長領域成分を反射する積層部材と、を含む第１の単位構成要素を備える。
また、電磁波を検知する第２検知部と、第２検知部で検知された電磁波量に基づいて対応する単位信号を生成して出力する第２単位信号生成部と、を含み、電磁波の所定の波長領域成分を反射する積層部材を備えていない第２の単位構成要素と、を備える。

そして、電磁波が積層部材において、通過する通過波長領域成分と、積層部材で反射される反射波長領域成分とに分離され、通過波長領域成分から生成される単位信号に基づき、第１の物理情報を取得する第１信号処理部を備える。また、通過波長領域成分と反射波長領域成分から生成される単位信号に基づき、第２の物理情報を取得する第２信号処理部を備える。そして、第１の物理情報若しくは第２の物理情報の何れか一方を選択して出力する、又は、双方を同時に出力するように信号処理部を制御する信号切替制御部を備える。
さらに、第１検知部の電磁波が入射する入射面側に、通過波長領域成分内をそれぞれ異なる波長領域成分に分離する第１光学部材を備える。そして、第２検知部の電磁波が入射する入射面側に、波長領域成分内を所定の波長領域成分に分離する第２光学部材を備える。
さらに、第１単位信号生成部から単位信号を読み出すための信号線となる配線層と、第２検知部の検知時間を制御する駆動部とを備える。

上述の積層部材は、所定の厚みを有し、隣接する層間同士で異なる屈折率を有する複数の層から構成される。さらに、積層部材を構成する第ｊ番目の層の部材は、屈折率をｎｊ、厚みをｄｊ、反射波長領域成分の中心波長をλ０としたとき、下記の条件式（Ａ）を満たし、かつ、反射波長領域成分の中心波長λ０は、下記の条件式（Ｂ）を満たし、積層部材において検知部側に形成されているγ層の部材は、屈折率をｎγ、厚みをｄγ、通過波長領域λ１を下記の条件式（Ｃ１）としたとき、下記の条件式（Ｃ２）を満たす。
０．９×λ０／４ｎ≦ｄｊ≦１．１×λ０／４ｎ …（Ａ）
７８０ｎｍ≦λ０≦１１００ｎｍ …（Ｂ）
３８０ｎｍ≦λ１≦７８０ｎｍ …（Ｃ１）
４７ｎｍ≦ｄγ≦９６ｎｍ …（Ｃ２）

また、 積層部材は、配線層上に形成され、検知部と積層部材とが一体的に構成されている。

また、本発明に係る半導体装置の製造方法は、上記本発明に係る装置の製造に用いて好適な方法である。
半導体基板上に第１検知部と第１単位信号生成部とを含む第１の単位構成要素、及び、第２検知部と第２単位信号生成部とを含む第２の単位構成要素を有する半導体素子層を形成する工程を有する。そして、半導体素子層の第１の単位構成要素上に第１単位信号生成部から単位信号を読み出すための信号線となる配線層を形成する工程を有する。さらに、配線層上に、隣接する層間で屈折率が異なるように所定の厚みを持つ層を積層し、第１検知部に入射する電磁波の所定の波長領域成分を反射する積層部材を形成する工程を有する。
そして、積層部材を形成する工程において、積層部材を構成する第ｊ番目の層の部材の屈折率をｎｊ、厚みをｄｊ、反射波長領域成分の中心波長をλ０としたとき、下記の条件式（Ａ）を満たし、かつ、反射波長領域成分の中心波長λ０は、下記の条件式（Ｂ）を満たすように積層部材を形成する。
０．９×λ０／４ｎ≦ｄｊ≦１．１×λ０／４ｎ …（Ａ）
７８０ｎｍ≦λ０≦１１００ｎｍ …（Ｂ）
さらに、積層部材において検知部側に形成されているγ層の部材の屈折率をｎγ、厚みをｄγ、通過波長領域λ１を下記の条件式（Ｃ１）としたとき、下記の条件式（Ｃ２）を満たすように積層部材を形成する。
３８０ｎｍ≦λ１≦７８０ｎｍ …（Ｃ１）
４７ｎｍ≦ｄγ≦９６ｎｍ …（Ｃ２）

なお、反射波長領域成分をも検知可能な構成とするべく、複数の検知部に対して、各波長対応の検知部に位置整合させて、積層膜の一部を規則的に取り除く工程をさらに設けることで、積層膜を通過した通過波長領域成分が複数の検知部の内の一方で検され、積層膜を通過しない反射波長領域成分が複数の検知部の内の他方で検されるようにしてもよい。各波長対応の検知部に位置整合させて一部を規則的に取り除くという点では、積層膜は、検知部と別体よりは検知部と一体的に構成されている方が好ましい。

また、カラー撮像用途などとする場合には、積層膜上に、通過波長領域成分内の所定の波長成分を通過させる波長別の光学部材を波長対応画素に位置整合させて形成する工程をさらに設けてもよい。各波長対応の検知部に位置整合させて波長別の光学部材を形成するという点では、波長別の光学部材は、積層膜や検知部と別体よりは積層膜や検知部と一体的に構成されている方が好ましい。

また従属項に記載された発明は、本発明のさらなる有利な具体例を規定する。

たとえば、可視光などの通過波長領域成分に対する赤外光などの反射波長領域成分に関わる像を取得するべく、反射波長領域成分用の検知部の電磁波が入射する入射面側に積層部材を設けずに、反射波長領域成分をその検知部で検知し、これによって単位信号生成部から得られる反射波長領域成分の単位信号に基づき、第２の前記所定目的用の物理情報を取得するようにするとよい。

また、通過波長領域成分の単位信号に基づく第１の物理情報と、反射波長領域成分の単位信号に基づく第２の物理情報とを、何れか一方を選択して出力する、もしくは双方を同時に出力するようにするのがよい。

また、通過波長領域成分を検知する複数の検知部の入射面側にそれぞれ、通過波長領域成分内をそれぞれ異なる波長領域成分に分離する光学部材を設け、それぞれ異なる通過波長領域成分を複数の検知部で検知し、これによって単位信号生成部から得られるそれぞれ異なる通過波長領域成分の各単位信号の合成処理により、通過波長領域成分に関わる１つの物理情報を取得するようにしてもよい。たとえば、光学部材として、３つの検知部に対して、可視領域の透過光が３原色の波長成分である原色系の色フィルタを用いる、あるいは、可視領域の透過光が３原色に対する各々の補色である補色系の色フィルタを用いることで、カラー画像を撮像するようにする。

また、反射波長領域成分の信号取得に関しては、反射波長領域成分だけでなく、通過波長領域成分の全部もしくは一部（たとえば３原色の何れか１つの波長成分）を同時に検出部で取り込んでから、差分演算処理によって、通過波長領域成分の影響を無視可能な、反射波長領域成分だけの信号を取得するようにしてもよい。あるいは、反射波長領域成分用の検知部には、予め通過波長領域成分が入射しないように、その入射面側に、反射波長領域成分を通過させかつ通過波長領域成分を遮断する光学部材を設けてもよい。

なお、反射波長領域成分の信号をも取得してその画像を生成する構成とする場合、通過波長領域成分を検知する検知部の従来の配置態様に対して、その一部を反射波長領域成分を検知する検知部に置き換えた画素配列構造にしなければならず、各検知部をどのように配置するかで解像度に影響を与え得る。

この点おいては、たとえば通過波長領域成分に基づく通常カラー画像の方の解像度を重視する場合には、通常カラー画像生成に資する色別の複数の検知要素の内のある波長成分を検知するもの（典型例はＧ色用の画素）が市松模様となるように配するのがよい。一方、反射波長領域成分に基づく画像（典型例は赤外光画像）の方の解像度を重視する場合には、その画像生成に資する検知部が市松模様となるように配するのがよい。

また、これらの画素を２次元格子状に配する場合には、垂直方向および水平方向の各読取方向に対して平行および直交するようにする正方格子状に配するよりも、所定角度（典型例は略４５度）だけ回転させた状態の斜め格子状に配列すると、垂直方向と水平方向の各画素密度が増すことになり、その方向での解像度をさらに高くすることができる。

本発明によれば、屈折率が異なる層を複数積層した構造を持つ積層膜を利用して通過波長領域成分と反射波長領域成分とを波長分離し、両者の成分信号を個別の検出部で検知するようにした。

これにより、単一の半導体装置（たとえばイメージセンサ）で、反射波長領域成分の影響を無視可能な通過波長領域成分に関わる物理情報を取得することができる。この際、たとえば通過波長領域成分の一例である可視光に対する反射波長領域成分である赤外光をカットする従来のような赤外線カット用の高価なガラス製の光学部材が不要になる。半導体の深さ方向における波長による吸収係数の違いを利用するものではなく、このことに起因した色再現性の問題は生じない。

また、通過波長領域成分と反射波長領域成分とを別個に検出して、両成分の信号出力を同時に取得する場合、通過波長領域成分については、積層膜によって反射波長領域成分が予めカットされるので、特開２００２−１４２２２８号公報記載の仕組みとは異なり、反射波長領域成分の影響をほぼ全く受けない通過波長領域成分の信号を得るに際して、反射波長領域成分との間での演算処理が不要である。

もちろん、通過波長領域成分と反射波長領域成分の信号を別個かつ同時に検知できるため、たとえば、赤外光や紫外光と可視光とを分けて検知する構造とすることで、可視光による像と赤外光や紫外光による像を同時に撮像することができるようになる。この際、可視光をさらに３原色信号成分に分けて検知するように構成することで、色合いが正確な可視光による像と、赤外光や紫外光による像を同時に撮像することができるようになる。

以下、図面を参照して本発明の実施形態について詳細に説明する。

＜＜誘電体積層膜イメージセンサの概念＞＞
図１は、誘電体積層膜を利用して電磁波を所定波長ごとに分光する分波イメージセンサの概念を説明する図である。ここでは、電磁波の一例である光を所定波長ごとに分光する分光イメージセンサを例に説明する。

誘電体積層膜１は、図１に示すように、隣接する層間で屈折率ｎｊ（ｊは２以上の正の整数；以下同様）が異なり（屈折率差Δｎ）、所定の厚みｄｊを持つ層を複数積層した構造を有する積層部材である。これによって、後述するように、電磁波の内の所定の波長領域成分を反射させ残りを通過させる特性を持つようになる。

誘電体積層膜１をなす各誘電体層１＿ｊの層数の数え方は、その両側の厚い層（第ｎ０層１＿０および第ｋ層１＿ｋ）を層数として数えずに、たとえば、第１層目から第ｋ層側に向けて順に数える。実質的には、両側の厚い層（第０層１＿０および第ｋ層１＿ｋ）を除いて誘電体積層膜１が構成される。

このような構造を持つ誘電体積層膜１に光を入射させると、誘電体積層膜１での干渉により、反射率（あるいは透過率）が波長λに対してある依存性を持つようになる。光の屈折率差Δｎが大きいほどその効果が強くなる。

特に、この誘電体積層膜１が、周期的な構造や、ある条件（たとえば各層の厚みｄの条件ｄ〜λ／４ｎ）を持つことで、白色光などの入射光Ｌ１が入射すると、ある特定波長域の光（特定波長領域光）の反射率だけを効果的に高めて殆どを反射光成分Ｌ２にさせ、すなわち透過率を小さくさせて、かつ、それ以外の波長域の光の反射率を低くすることで殆どを透過光成分Ｌ３にさせる、すなわち、透過率を大きくさせることができる。

ここで波長λは、ある波長域の中心波長であり、ｎはその層の屈折率である。本実施形態では、この誘電体積層膜１による反射率（あるいは透過率）の波長依存性を利用することで、分光フィルタ１０を実現する。

＜誘電体積層膜を利用した分波イメージセンサの基本構成＞
図２は、誘電体積層膜を利用した分波イメージセンサの基本構成を説明する概念図である。ここで、図２は、赤外光IR（InfraRed）と可視光VL（Visible Light ）とを分光する事例で示している。可視光VLよりも長波長側である赤外領域の波長λ（主に７８０ｎｍより長波長側）の赤外光IRに対して、高い反射率を持たせるような誘電体積層膜１を形成することで、赤外光IRをカットし、また、このような誘電体積層膜１を形成しないことで、赤外光IRを透過させることができる。

なお、誘電体積層膜１をなす各誘電体層１＿ｊの部材（層材）は、複数の層で誘電体積層膜１を構成することから少なくとも２種となり、３層以上の場合には各誘電体層１＿ｊの何れもが異なる層材でなるものであってもよいし、２種（あるいはそれ以上）を交互にあるいは任意の順に積層したものであってもよい。また、誘電体積層膜１を、基本的な第１および第２の層材で構成しつつ、一部を第３（あるいはそれ以上）の層材に代えるようにしてもよい。以下、具体的に説明する。

＜誘電体積層膜を利用した多波長分波イメージセンサの構成＞
図３は、図２に示した分光イメージセンサ１０を利用した分光イメージセンサ１１の基本構成を複数の波長分離構成に適用した構成例を示す図である。

図２にて説明したように、誘電体積層膜１を形成するかしないかにより、赤外光IRをカットしたり透過させたりすることができる。これを応用して、単位画素マトリクス１２を構成する複数の検知部（たとえばフォトダイオード）に対して、各波長対応の検知部に位置整合させて積層膜の一部を規則的に取り除く、すなわち、画素（セル）ごとに、赤外光をカットしたりしなかったりすることで、可視光VLのみの撮像と赤外光IRのみの撮像、あるいは可視光VLのみの撮像と赤外光IRと可視光VLとを混在させた撮像を、同時に行なうようにすることができる。

昼間におけるモノクロ画像あるいはカラー画像の撮像時に赤外光IRの影響を受けず、また、夜間などにおいて、赤外光IRによる撮像が可能となる。必要に応じて、他方の像も同時に出力することもできる。その場合でも、昼間において、可視光VLの影響を受けない赤外光IRのみの画像を得ることができる。

すなわち、多波長分波対応の分光イメージセンサ１１は、上述のような赤外光IRを反射可能な誘電体積層膜１を、画素が規則的に配列された単位画素マトリクス１２を構成する各画素の主要部をなすフォトダイオード上に形成することで、赤外光IRを反射させることができ、この画素から得られる画素信号に基づき、赤外光IRの影響をほぼ全く受けない可視光VLのみのモノクロ画像が得られる。特開２００２−１４２２２８号公報記載の仕組みとは異なり、赤外光IRの影響をほぼ全く受けない可視光VLのモノクロ画像を得るに際して、赤外光IRの成分との間での演算処理が不要である。

さらに、誘電体積層膜１を形成したフォトダイオード上に、波長領域成分内を所定の波長領域成分に分離する光学部材の一例として、可視光VL領域において所定の波長透過特性を持つ色フィルタ１４を設けることで、赤外光IRの影響をほぼ全く受けない可視光VL領域中の特定波長領域のみの像が得られる。

また、単位画素マトリクス１２を構成する複数のフォトダイオード上に一体的に、可視光VL領域においてそれぞれ異なる波長透過特性を持つ色フィルタ１４ｘを、各波長対応（色別）のフォトダイオードに位置整合させて、規則的に配列することで、可視光VL領域を波長別（色別）に分離することができ、これらの色別の画素から得られる各画素信号に基づいて合成処理をすることで、赤外光IRの影響をほぼ全く受けない可視光VLのみのカラー画像（可視光カラー画像）が得られる。特開２００２−１４２２２８号公報記載の仕組みとは異なり、赤外光IRの影響をほぼ全く受けない可視光VLのカラー画像を得るに際して、赤外光IRの成分との間での演算処理が不要である。

また、同じ撮像素子（分光イメージセンサ１１）において、たとえば単位画素マトリクス１２の内で、部分的に誘電体積層膜１を形成しない画素を設けることで、各画素の出力をマトリクス演算することにより、可視光VLのモノクロ画像あるいはカラー画像と赤外光IRの画像をそれぞれ独立に求めることが常時可能となる。また、フォトダイオード上に一体的に形成された誘電体積層膜１の一部を、部分的に誘電体積層膜１を形成しないようにするので、部分的に誘電体積層膜１が形成されていない誘電体積層膜１をもつ別個の光学部材を撮像素子上に配設する場合とは異なり、位置合せの問題が起きない。

たとえば、赤外光IRの影響をほぼ全く受けない可視光VLのみの撮像（モノクロ撮像もしくはカラー撮像）と、赤外光IRと可視光VLとを混在させた撮像を、同時に行なうようにすることができる。また、可視光VLのみの成分（モノクロ像成分もしくはカラー像成分）と、赤外光IRと可視光VLとを混在させた成分との合成処理（詳しくは差分処理）により、可視光VLの影響をほぼ全く受けない赤外光IRのみの撮像を行なうようにすることもできる。

なお、上記において、“影響をほぼ全く受けない”とは、最終的に人間の視覚によることを考慮し、一般的に人間の視覚によって明確な差が関知できない程度であれば、“影響を若干受ける”ことがあってもよい。すなわち、赤外光IR側については通過波長領域（可視光VL）の影響を無視可能な赤外画像（物理情報の一例）を取得できればよく、可視光VL側については反射波長領域成分（赤外光IR）の影響を無視可能な通常画像（物理情報の一例）を取得できればよい。

また、色フィルタ１４は、可視光VL（波長λ＝３８０〜７８０ｎｍ）の３原色である青色成分Ｂ（たとえば波長λ＝４００〜５００ｎｍで透過率が略１、その他で略ゼロ）、緑色成分Ｇ（たとえば波長λ＝５００〜６００ｎｍで透過率が略１、その他で略ゼロ）、赤色成分Ｒ（たとえば波長λ＝６００〜７００ｎｍで透過率が略１、その他で略ゼロ）を中心とする原色フィルタであってもよい。

あるいは、黄Ｙｅ（たとえば波長λ＝４００〜５００ｎｍで透過率が略ゼロ、その他で略１）、マゼンダＭｇ（たとえば波長λ＝５００〜６００ｎｍで透過率が略ゼロ、その他で略１）、シアンＣｙ（たとえば波長λ＝６００〜７００ｎｍで透過率が略ゼロ、その他で略１）など、可視光の３原色成分に対して略ゼロの透過率を持つ補色系の色フィルタであってもよい。

補色系の色フィルタは原色系の色フィルタよりも感度が高いので、可視領域の透過光が３原色の各々の補色である補色系の色フィルタを使用することで撮像装置の感度を高めることができる。逆に、原色系の色フィルタを用いることで、差分処理を行なわなくても原色の色信号を取得でき信号処理が簡易になる利点がある。

なお、透過率が“略１”であるとは、理想的な状態をいったものであり、その波長領域での透過率がその他の波長領域での透過率よりも遙かに大きいものであればよい。一部に“１”でない透過率”があってもよい。また、透過率が“略ゼロ”であるについても、同様に理想的な状態をいったものであり、その波長領域での透過率がその他の波長領域での透過率よりも遙かに小さいものであればよい。一部に“ゼロ”でない透過率”があってもよい。

また、原色系および補色系の何れも、通過波長領域成分である可視光VL領域の内の所定色（原色もしくは補色）の波長領域成分を通過させるものであればよく、反射波長領域成分である赤外光IR領域を通過させるか否かすなわち赤外光IRに対する透過率は不問である。誘電体積層膜１によって赤外光IR成分をカットするからである。

たとえば、図３に示すように、４つの画素（セル）でなる単位画素マトリクス１２の内、１つの画素１２IR上だけに誘電体積層膜１を形成せず、他の赤（Ｒ）、緑（Ｇ）、青（Ｂ）の３つの色別の画素１２Ｒ，１２Ｇ，１２Ｂ上に誘電体積層膜１を形成しつつ、それぞれ対応する赤（Ｒ）、緑（Ｇ）、青（Ｂ）の３原色フィルタ１４Ｒ，１４Ｇ，１４Ｂを設ける。

また、感度を高くするために、図３に示すように、誘電体積層膜１を形成しなかった画素１２IRにおいて、赤外光IRだけでなく可視光VLも同時に信号に寄与するように色フィルタ１４Ｃを入れない。こうすることで、実質的に、赤外光用の画素１２IRを、赤外光IR用のみでなく、赤外光IR用と可視光VL用を兼ねる画素として機能させることができる。

とりわけ、４つの画素でなる単位画素マトリクス１２を、このように画素１２Ｒ，１２Ｇ，１２Ｂ，１２IRに分割することで、撮像素子（分光イメージセンサ１１）全体の構成が隙間なく配置できるので、設計が容易になる。

このようにすることで、３つの画素１２Ｒ，１２Ｇ，１２Ｂから得られる赤（Ｒ）、緑（Ｇ）、青（Ｂ）の各色成分に基づいて１つの画像を合成することで、赤外光IRの影響をほぼ全く受けない可視光VLのカラー画像（いわゆる通常のカラー画像）が得られ、同時に画素１２IRから得られる赤外光IRと可視光VLを混在させた成分に基づき、赤外光IRに関わる像を撮像することが可能になる。

ここで、“赤外光IRに関わる像”とは、可視光VLの影響をほぼ全く受けない赤外光IRのみの像や赤外光IRと可視光VLとを混在させた像を意味する。図３に示す構成で可視光VLの影響をほぼ全く受けない赤外光IRのみの像を得るには、たとえば、画素１２IRから得られる赤外光IRと可視光VLを混在させた成分と、３つの画素１２Ｒ，１２Ｇ，１２Ｂから得られる赤（Ｒ）、緑（Ｇ）、青（Ｂ）の各色成分との差を取るとよい。後述するような緑色フィルタ１４Ｇや黒色フィルタ１４BKを設けなくても、可視光VLおよび赤外光IRを受光する画素１２IRの出力から、３つの画素１２Ｒ，１２Ｇ，１２Ｂで得られる青、赤、緑の強度を減じることで、赤外光IRの強度を求めることができるからである。

なお、光通信応用や赤外発光点を追跡することで位置検出するような応用など、可視光VLの影響をほぼ全く受けない赤外光IRだけの像を同時に撮像する応用を考えた場合、画素１２IR上に、少なくとも反射波長領域成分である赤外光IRを通過させるとともに、通過波長領域成分である可視光VLの内の所定の波長成分を通過させる色フィルタ１４Ｃを入れてもよい。

たとえば、色フィルタ１４Ｃとして、赤外光IRと緑色光Ｇとを通過させる緑色フィルタ１４Ｇを設けることで、画素１２IRからは赤外光IRと緑色の可視光LGの混在の成分が得られるが、画素１２Ｇから得られる可視光VLだけの緑色成分との差分を取ることで、可視光VL（ここでは緑色光Ｇ）の影響をほぼ全く受けない赤外光IRのみの像が得られる。緑色フィルタ１４Ｇを設ける必要があるものの、緑色フィルタ１４Ｇを設けずに３つの画素１２Ｒ，１２Ｇ，１２Ｂで得られる青、赤、緑の強度を減じる場合よりも処理が簡易になる。

または、色フィルタ１４Ｃとして、赤外光IRを通過させ可視光VLのみを吸収するような黒色フィルタ１４BKを設けると、可視光VLをこの黒色フィルタ１４BKで吸収させることで、画素１２IRからは赤外光IRのみの成分が得られ、差分処理を行なわなくても、可視光VLの影響をほぼ全く受けない赤外光IRのみの像が得られることになる。

なお、現状一般的に用いられるＲ，Ｇ，Ｂの各色フィルタは、可視光帯内では、Ｒ，Ｇ，Ｂの各々に対して透過率が高くその他の色（たとえばＲであればＧやＢ）の透過率が低いが、可視光帯外の透過率に関しては規定外であり、通常、その他の色（たとえばＲであればＧやＢ）の透過率よりも高く、たとえば各フィルタともに赤外領域に感度を持ち、赤外領域において光の透過がある。しかしながら、本実施形態では、このような可視光帯外で透過率が高い特性であっても、影響を受けない。

＜＜誘電体積層膜の設計手法；赤外光カットの例＞＞
＜厚みｄｊの設計手法＞
図４〜図６は、誘電体積層膜１を設計する手法の基本概念を説明する図である。ここでは、誘電体積層膜１を、基本的な第１および第２の層材で構成しつつ、赤外光IRを選択的に反射させるような設計例を述べる。

図４にその構造図を示すように、本実施形態で用いる誘電体積層膜１は、両側（以下、光入射側を第０層、反対側を第ｋ層と称する）の厚い酸化シリコンＳｉＯ₂（以下ＳｉＯ２と記す）に挟まれて、第１および第２の層材でなる複数の誘電体層１＿ｊが積層されて構成されている。図示した例では、誘電体層１＿ｊをなす第１および第２の層材として何れも一般的な材料を用いることとし、シリコンナイトライドＳｉ₃Ｎ₄（以下ＳｉＮと記す）を第１の層材、酸化シリコンＳｉＯ２を第２の層材とする２種を用いて、これらを交互に積層している。また、誘電体積層膜１の構造は、上下に十分に厚い酸化シリコンＳｉＯ２層がある場合（ｄ０＝ｄｋ＝∞）を仮定している。

このような誘電体積層膜１は、下記式（１）の条件を満たすことで、反射率を有効に高くすることができる。

ここでｄｊ（ｊは層番号；以下同様）は、誘電体積層膜１を構成する各誘電体層１＿ｊの厚みであり、ｎｊは、その各誘電体層１＿ｊの屈折率であり、λ０は反射波長領域の中心波長（以下反射中心波長という）である。

誘電体積層膜１をなす各誘電体層１＿ｊの層数の数え方は、その両側の厚い酸化シリコンＳｉＯ２を層数として数えずに、たとえば、第１層目から第ｋ層側に向けて順に、ＳｉＮ層／ＳｉＯ２層／ＳｉＮ層で３層、ＳｉＮ層／ＳｉＯ２層／ＳｉＮ層／ＳｉＯ２層／ＳｉＮ層で５層というように数える。図４では、７層構造を示している。

また、反射波長領域である赤外光IRの反射中心波長λ０＝９００ｎｍとして、奇数番目の層をなすシリコンナイトライドＳｉＮの屈折率ｎα＝２．０３、０番目、偶数番目、およびｋ番目の層をなす酸化シリコンＳｉＯ２の屈折率ｎβ＝１．４６としており、屈折率差Δｎは、０．５７である。

また、上記式（１）に従い、シリコンナイトライドＳｉＮの厚みｄα（＝ｄ１，ｄ３，…；ｊ＝奇数）は１１１ｎｍ、酸化シリコンＳｉＯ２層の厚みｄβ（＝ｄ２，ｄ４，…；ｊ＝偶数）は１５４ｎｍとしている。

図５は、一般的な材料を用いた図４の構造について、層数を変えて、有効フレネル係数法で計算した反射率Ｒの結果（反射スペクトル図）を示し、これにより、反射スペクトルの層数依存特性が分かる。

図５の結果から、層数が増えるに従い、赤外光IRの反射中心波長λ０＝９００ｎｍを中心に反射率Ｒが高くなっているのが分かる。さらに、このように波長９００ｎｍを反射中心波長λ０に選ぶことで、ほぼ赤外光IRと可視光VLを分けていることが分かる。ここでは、５層以上にすることで、反射率Ｒが０．５以上、特に、７層以上にすることで、反射率が０．７を超えて望ましいことが分かる。

図６は、誘電体層１＿ｊの厚みの変動依存性（ばらつきとの関係）を説明する図である。ここでは、７層の場合を例に、各誘電体層１＿ｊの厚みｄｊを±１０％変えて計算した結果（反射スペクトル図）を示している。

条件式（１）は、フレネル係数法による理想的な計算値であるが、実際には式（１）の条件はゆるやかで幅がある。たとえば、±１０％の厚みｄｊの誤差があっても有効に反射率を高くできることがフレネル係数法による計算で分かった。

たとえば、図６に示すように、厚みｄｊにばらつきの差があっても、有効に反射率Ｒを高くできることが分かった。たとえば、赤外光IRの反射中心波長λ０＝９００ｎｍにおいて反射率Ｒが０．５以上という十分な反射率Ｒが得られているし、赤外光IR全体（主に７８０ｎｍより長波長側）においても、反射が強いことが分かる。したがって、実際には、ばらつきも加味すれば、誘電体層１＿ｊの厚みｄｊは、下記式（２）の範囲であれば、反射率を有効に高くする上で、十分な効果が得られることになる。

＜反射中心波長λ０の設計手法＞
図７〜図９は、反射中心波長λ０の条件を説明する図である。厚みｄｊの数値条件は、スペクトルの赤外反射領域のバンド幅ΔλIRに依存する。反射スペクトルの概念を示した図７（Ａ）のように、赤外反射領域のバンド幅ΔλIRが広い場合には長波長側に中心波長λ０を持っていかないと可視光VLでの反射が顕著になる。また反射スペクトルの概念を示した図７（Ｂ）のように、逆に赤外反射領域のバンド幅ΔλIRが狭い場合には、短波長側に中心波長λ０を持っていかないと可視光VLに近い赤外領域での反射が起こらなくなる。

ところで図＃２−１に示したシリコンＳｉの吸収スペクトルのグラフから、赤外領域の内、０．７８μｍ≦λ≦０．９５μｍの範囲の赤外光IRを反射させれば、赤外カット効果として十分になることが分かる。これは、波長０．９５μｍより長波長側の光は殆どシリコンＳｉ内部で吸収されず、光電変換されないからである。したがって０．７８μｍ≦λ≦０．９５μｍの範囲の波長の赤外光IRを反射できるように反射中心波長λ０を選べばよいことになる。

また、可視光VLでも、赤（Ｒ）領域の内、６４０〜７８０ｎｍの範囲の光は視感度が低いために反射されてもされなくても特に撮像素子の性能に影響はないと考えてよい。したがって６４０〜７８０ｎｍの波長領域に反射が生じていても不都合がない。

さらに、赤外反射領域のバンド幅ΔλIRは、誘電体積層膜１の屈折率差Δｎが大きいときには広くなり、逆に屈折率差Δｎが小さいときには狭くなる。したがって、赤外反射領域のバンド幅λIRは、ＳｉＮ／ＳｉＯ２多層膜の場合には狭く、Ｓｉ／ＳｉＯ２多層膜の場合には広くなる。

これらのことから、ＳｉＮ／ＳｉＯ２多層膜（屈折率差Δｎ＝０．５７）の場合には、図８の反射スペクトル図に示す７８０ｎｍと９５０ｎｍの反射中心波長λ０の計算から、７８０ｎｍ≦λ０≦９５０ｎｍの範囲であれば、ほぼ上述の条件を満たすことが分かる。ところで、図８は後述する図１３のような積層構造で、λ０＝７８０ｎｍとλ０＝９５０ｎｍになるように、誘電体層１＿ｊの膜厚ｄｊだけを変えて計算されたものである。

また同様に、Ｓｉ／ＳｉＯ２多層膜（屈折率差Δｎ＝２．６４）の場合、図９の反射スペクトル図に示すように９００ｎｍ≦λ０≦１１００ｎｍの範囲であれば、ほぼ上述の条件を満たす。

以上のことから、シリコンナイトライドＳｉＮやシリコンＳｉと酸化シリコンＳｉＯ２の組合せにおいては、反射中心波長λ０としては、下記式（３−１）を満たせばよいことになる。好ましくは、下記式（３−２）を満たすのがよい。これらは、９００ｎｍ近傍を反射中心波長λ０とするのが理想的であることを意味する。

もちろん、上記で示した材料は一例に過ぎず、上述のような効果は必ずしも酸化シリコンＳｉＯ２とシリコンナイトライドＳｉＮ層の組み合わせに限ったことでなく、屈折率差が０．３以上、さらに望ましくは０．５以上あるような材料を選べば同様な効果があることが計算によって見積もられた。

たとえばＳｉＮ膜は、作製条件によって多少の組成のばらつきがあってもよい。また、誘電体積層膜１を構成する誘電体層１＿ｊとしては、酸化シリコンＳｉＯ２やシリコンナイトライドＳｉＮの他に、アルミナＡｌ₂Ｏ₃やジルコニアＺｒＯ₂（屈折率２．０５）や酸化チタンＴｉＯ₂（屈折率２．３〜２．５５）や酸化マグネシウムＭｇＯや酸化亜鉛ＺｎＯ（屈折率２．１）などの酸化物あるいはポリカーボネートＰＣ（屈折率１．５８）やアクリル樹脂ＰＭＭＡ（屈折率１．４９）などの高分子材料、炭化珪素ＳｉＣ（屈折率２．６５）やゲルマニウムＧｅ（屈折率４〜５．５）などの半導体材料も使用可能である。

高分子材料を用いることで、従来のガラス製にはない特徴を持った光学フィルタを構成することができる。すなわち、プラスチック製にすることができ、軽量で耐久性（高温、高湿、衝撃）に優れる。

＜＜誘電体積層膜を利用した分波イメージセンサ；第１実施形態＞＞
図１０〜図１４は、誘電体積層膜１を利用した単波長分波対応の分光イメージセンサ１１の第１実施形態を説明する図である。第１実施形態は、誘電体積層膜を利用した分波イメージセンサの基本的な設計手法を用いて構成されるものである。ここでは、赤外光IRを選択的に反射させるような誘電体積層膜１を利用することで、赤外光IRをカットして可視光VL成分を受光するようにした分光イメージセンサ１１の設計例を述べる。

図４〜図６を用いて説明した誘電体積層膜１をシリコン（Ｓｉ）フォトディテクタなどの検知素子が形成された屈折率が誘電体積層膜１をなす各誘電体層１＿ｊよりも大きい半導体素子層上に作製するに当たっては、半導体素子層から誘電体積層膜１までの距離、すなわち第ｋ層の誘電体層１＿ｋをなす酸化シリコンＳｉＯ２層の厚みｄｋが重要である。

これは図１０の構造図に示すように、たとえばシリコンＳｉ（屈折率４．１）でなる半導体素子層（フォトディテクタなど）の表面であるシリコン基板１＿ωの表面からの反射光Ｌ４との干渉効果によって、トータルな反射光ＬＲtotal のスペクトルが変化することを意味する。

図１１は、トータルな反射光ＬＲtotal の、誘電体層１＿ｋをなす酸化シリコンＳｉＯ２層の厚みｄｋの変動依存性を説明する反射スペクトル図である。ここでは、図４に示した７層構造の誘電体積層膜１について、誘電体層１＿ｋの厚みｄｋを変えて計算した結果を示している。図１１内の各図において、横軸は波長λ（μｍ）で、縦軸は反射率Ｒである。

図１１内の各図から分かるように、厚みｄｋ＝０．１５４μｍのとき、すなわち赤外光IRの反射中心波長λ０に対して、条件式（１）を満たす値のときに、反射スペクトルは殆ど影響を受けず、赤外光IR（波長λ≧７８０ｎｍ）を強く反射していることが分かる。それに対して厚みｄｋ＝０．３〜５０μｍまでのスペクトルには、厚みｄｋ＝∞の反射スペクトルに比べて別の振動が生じていることが分かる。それによって赤外での反射がディップ状に低下している波長域が存在するのが分かる。

ただし、厚みｄｋ＝２．５μｍ以上になると、赤外でのディップの半値幅が３０ｎｍ以下になり、とりわけ厚みｄｋ＝５．０μｍ以上になるとその半値幅が２０ｎｍ以下となり、一般的なブロードな自然光に対して十分に半値幅が狭くなるので平均化された反射率となる。さらに、厚みｄｋ＝０．３〜１．０μｍのスペクトルに関しては、可視光VLでの反射率が高いことも分かる。これらのことから、望ましくは、厚みｄｋ＝０．１５４μｍ付近、すなわち条件式（１）を満たす値のときが最適であると言える。

図１２は、誘電体層１＿ｋをなす酸化シリコンＳｉＯ２層の厚みｄｋの変動依存性を説明する反射スペクトル図であって、特に、厚みｄｋ＝０．１５４μｍ付近で、厚みｄｋの値を変えて計算した結果を示すものである。図１２内の各図において、横軸は波長λ（μｍ）で、縦軸は反射率Ｒである。

この結果から分かるように、条件式（１）を満たす厚みｄｋ＝０．１５４μｍを中心として、厚みｄｋ＝０．１４〜０．１６μｍの範囲であれば、可視光VLでの反射が抑えられることが分かる。

以上のことから、分光イメージセンサ１１の最適構造は、図１３の構造図に示すように、実質的には、第ｋ層の誘電体層１＿ｋを含めて８層構造の誘電体積層膜１Ａを有するものとなり、その反射スペクトルの計算結果は図１４に示す反射スペクトル図のようになる。言い換えると、誘電体積層膜１Ａは、シリコン基板１＿ω上に、第２の層材である酸化シリコンＳｉＯ２でなる層を４周期分設けた構造をなしている。

＜＜誘電体積層膜を利用した分波イメージセンサ；第２実施形態＞＞
図１５〜図１８は、誘電体積層膜１を利用した単波長分波対応の分光イメージセンサ１１の第２実施形態を説明する図である。第２実施形態は、第１実施形態の設計手法の変形例（その１）を適用して構成されるものであり、図１０〜図１４にて説明した手法を基本として、可視光領域内における反射を低減するように変形したものである。

変形例（その１）は、第ｋ層目の誘電体層１＿ｋとシリコン基板１＿ωとの間に、第ｋ層目の誘電体層１＿ｋの屈折率ｎｋとシリコン基板１＿ωの屈折率ｎω（＝４．１）に対して中間的な屈折率をもつ第３の層材を追加した点に特徴を有する。

またこの変形に対応して、誘電体積層膜１の第１層目から第７層目の定数設計に際して、赤外光IRの反射中心波長λ０を９００ｎｍではなくより低い側の８５２ｎｍに変更しており、シリコンナイトライドＳｉＮの厚みｄα（＝ｄ１，ｄ３，…；ｊ＝奇数）は１０５ｎｍ、酸化シリコンＳｉＯ２層の厚みｄβ（＝ｄ２，ｄ４，…；ｊ＝偶数）は１４６ｎｍとしている。これは、薄いＳｉＮ層（３０ｎｍ）を新たに挿入することで可視光での反射率が減少するとともに同時に可視光と赤外光の境界７８０ｎｍ付近の反射率も低下するので、全体を短波長側にシフトさせてこの低下分を補うため、すなわち境界付近の赤外を効率よくカットするためである。もちろん、赤外光IRの反射中心波長λ０を９００ｎｍにしたままとしてもよい。

具体的には、図１５に示す第１の変形例の構造においては、第ｋ層目の酸化シリコンＳｉＯ２とシリコン基板１＿ωとの間に厚みｄγが比較的薄いシリコンナイトライドＳｉＮ層１＿γを第３の層材として積層した構造をなしている。ここでは、厚みｄγ＝０．０３０μｍとしている。その反射スペクトルの計算結果は図１６に示すようになる。

なお、第１の変形例で追加した第３の層材は、第１の層材であるシリコンナイトライドＳｉＮと同じであるが、シリコン基板１＿ωよりも大きな屈折率を持つ部材であればよく、その他の部材であってもよい。

第１例の変形例の誘電体積層膜１を有する分光イメージセンサ１１は、実質的には、７層の誘電体積層膜１と、第ｋ層の誘電体層１＿ｋ（酸化シリコンＳｉＯ２層）とシリコンナイトライドＳｉＮ層１＿γの２層分を含めて、全体として９層構造の誘電体積層膜１Ｂを有するものとなる。

また、図１７に示す第２の変形例の構造においては、第１の変形例で追加した第３の層材とシリコン基板１＿ωとの間に、第３の層材よりも小さな屈折率をもつ第４の層材を積層した構造をなしている。具体的には、第３の層材である厚みｄγのシリコンナイトライドＳｉＮ層１＿γとシリコン基板１＿ωとの間に、第４の層材として、酸化シリコンＳｉＯ２層１＿δを用いて、その厚みｄδ＝０．０１０μｍとしている。その反射スペクトルの計算結果は図１８に示すようになる。

なお、第２の変形例で追加した第４の層材は、第２の層材である酸化シリコンＳｉＯ２と同じであるが、第３の層材（本例ではシリコンナイトライドＳｉＮ）よりも小さな屈折率を持つ部材であればよく、その他の部材であってもよい。

第２例の変形例の誘電体積層膜１を有する分光イメージセンサ１１は、実質的には、７層の誘電体積層膜１に、第ｋ層の誘電体層１＿ｋ（酸化シリコンＳｉＯ２層）とシリコンナイトライドＳｉＮ層１＿γと酸化シリコンＳｉＯ２層１＿δの３層分を含めて、全体として１０層構造の誘電体積層膜１Ｃを有するものとなる。言い換えると、誘電体積層膜１Ｃは、シリコン基板１＿ω上に、第２の層材である酸化シリコンＳｉＯ２でなる層を５周期分設けた構造をなしている。

第１例と第２例とでは、酸化シリコンＳｉＯ２層１＿δの有無の違いがあるが、図１６および図１８から分かるように、何れも、可視光VLでの反射率が十分に低下する。また、第２例のように、酸化シリコンＳｉＯ２層１＿δを追加することで、暗電流を低減できる効果が得られる。なお、酸化シリコンＳｉＯ２層１＿δを追加することで、シリコンナイトライドＳｉＮ層１＿γを追加することによる効果が低減することのないように、両者の厚みの関係はｄδ＜＜ｄγとするのがよい。

このように、第ｋ層目の酸化シリコンＳｉＯ２とシリコン基板１＿ωとの間に、屈折率ｎｋ（＝ｎＳｉＯ２）と屈折率ｎω（＝ｎＳｉ）に対して中間的な屈折率ｎγ（＝ｎＳｉＮ）をもつ部材として薄いシリコンナイトライドＳｉＮ層１＿γを中間層として追加することで、可視光VLでの反射を抑えることが可能となる。これは、以下のように考えると理解される。

まず、可視光VLの波長をλVL，その層の中間的な屈折率をＮｍでその層の厚みをｄｍとすると、条件式（１）と同様の低反射膜の理論から、条件式（４）が得られ、条件式（４）を満たすときに、十分な効果を示すことになる。

ここで、波長λVLは可視光VL全体を指すので、その波長域は式（５）で与えられる。

第１例および第２例の各変形例では、中間層としてシリコンナイトライドＳｉＮ層１＿γを追加しており、屈折率ｎγ（＝ｎＳｉＮ＝Ｎｍ）であるから、波長域を示した式（５）は、中間層の厚みｄｍすなわちシリコンナイトライドＳｉＮ層１＿γの厚みｄγを示した式（６）のように変形できる。

中間層の厚みｄｍは、式（６）を満足することが理想的ではあるが、それよりも少し外れていてもよく、実験によれば、特に薄い方に対しては余裕があり、図１６および図１８から分かるように、一例としては、ｄｍ＝３０ｎｍの場合でも効果があることを確認することができた。もちろん、第ｋ層目の酸化シリコンＳｉＯ２とシリコン基板１＿ωとの間に中間層（第３の層材）を追加するということであるから、薄い方は０ｎｍよりも大きい（０ｎｍを含まない）ことはいうまでもない。つまり、第ｋ層目の酸化シリコンＳｉＯ２とシリコン基板１＿ωとの間に中間層を追加するに際しては、その中間層の厚みｄｍ，ｄγは、式（７）を満足すればよいことになる。

＜＜誘電体積層膜を利用した分波イメージセンサ；第３実施形態＞＞
図１９〜図２４は、誘電体積層膜１を利用した単波長分波対応の分光フィルタ１０および分光イメージセンサ１１の第３実施形態を説明する図である。ここで、図１９〜図２２は、第３実施形態の分光フィルタ１０を構成する誘電体積層膜１を説明する図であり、図２３〜図２４は、第３実施形態の誘電体積層膜１を利用した単波長分波対応の分光イメージセンサ１１を説明する図である。

第３実施形態は、第１実施形態の設計手法の変形例（その２）を適用して構成されるものであり、誘電体積層膜１をなす誘電体層１＿ｊの層数を低減する点に特徴を有する。この層数低減に当たっては、誘電体積層膜１内において、この誘電体積層膜１を構成する基本的な第１および第２の層材よりも大きな屈折率をもつ部材（層材）を追加した点に特徴を有する。

この大きな屈折率をもつ部材を追加するに当たっては、基本的な２つの層材の内の屈折率の大きい方を、さらに大きな屈折率をもつ第５の層材に代えるようにすればよい。この変形例（その２）の誘電体積層膜１は、実質的には、第５の層材１＿ηを含めた構造の誘電体積層膜１Ｄとなる。言い換えると、誘電体積層膜１Ｄは、シリコン基板１＿ω上に、第２の層材である酸化シリコンＳｉＯ２でなる層をＮ周期分設けた構造をなしている。

第５の層材の厚みｄηに関しても、その屈折率をｎηとしたとき、条件式（１）と同様の低反射膜の理論から、条件式（８）が得られ、条件式（８）を満たすときに、十分な効果を示すことになる。

たとえば、図１９の構造図に示す例では、シリコンナイトライドＳｉＮおよび酸化シリコンＳｉＯ２よりも高い屈折率＝４．１を持つ厚みｄη＝６１ｎｍのシリコンＳｉ層を第５の層材として、シリコンナイトライドＳｉＮに代えて１層だけ（中間の第３層目の誘電体層１＿３に代えて）追加している。その反射スペクトルの計算結果は図２０に示す反射スペクトル図のようになる。

ここで、図２２では、総層数が奇数の誘電体積層膜１の丁度真ん中の層をなすシリコンナイトライドＳｉＮをシリコンＳｉに変更する場合において、その総層数を変えて計算した結果を示している。

なお、図１９では、誘電体積層膜１の各層の定数設計に際して、赤外光IRの反射中心波長λ０を９００ｎｍではなく１０００ｎｍに変更しており、シリコンナイトライドＳｉＮの厚みｄα（＝ｄ１，ｄ３，…；ｊ＝奇数）は１２３ｎｍ、酸化シリコンＳｉＯ２層の厚みｄβ（＝ｄ２，ｄ４，…；ｊ＝偶数）は１７１ｎｍとしている。

また、図２１の構造図に示す例では、誘電体積層膜１の各層の定数設計に際して、赤外光IRの反射中心波長λ０を９００ｎｍにしており、シリコンナイトライドＳｉＮの厚みｄα（＝ｄ１，ｄ３，…；ｊ＝奇数）は１１１ｎｍ、酸化シリコンＳｉＯ２層の厚みｄβ（＝ｄ２，ｄ４，…；ｊ＝偶数）は１５４ｎｍとし、厚みｄη＝５５ｎｍのシリコンＳｉ層を第５の層材として、シリコンナイトライドＳｉＮに代えて１層だけ追加している。その反射スペクトルの計算結果は図２２に示す反射スペクトル図のようになる。

第２の変形例で追加した第５の層材は、半導体素子層をなすシリコン基板１＿ωと同じであるが、誘電体積層膜１をなす第５の層材以外の誘電体層１＿ｊよりも大きな屈折率を持つ部材であればよく、その他の部材であってもよい。

図２０および図２２に示に示す反射スペクトルの計算結果から分かるように、誘電体積層膜１をなす第５の層材以外の誘電体層１＿ｊよりも大きな屈折率を持つ層材を追加することで、少ない層数で十分な反射率が得られるようになる。特に５層の場合、可視光VLでのバンド幅が十分に広く、可視光VLと赤外光IRを分けるには最適であることが分かる。

第１実施形態における図１０〜図１２を用いて説明したことと同様に、誘電体積層膜１Ｄを半導体素子層（シリコン基板１＿ω）上に作製するに当たっては、半導体素子層から誘電体積層膜１Ｄまでの距離、すなわち第ｋ層の誘電体層１＿ｋをなす酸化シリコンＳｉＯ２層の厚みｄｋが重要である。

これは図２３の構造図に示すように、たとえばシリコンＳｉ（屈折率４．１）でなる半導体素子層（フォトディテクタなど）の表面であるシリコン基板１＿ωの表面からの反射光ＬＲとの干渉効果によって、トータルな反射光ＬＲtotal のスペクトルが変化することを意味する。

図２４は、図２１に示した５層構造の誘電体積層膜１Ｄについて、トータルな反射光ＬＲtotal の、誘電体層１＿ｋをなす酸化シリコンＳｉＯ２層の厚みｄｋの変動依存性を説明する反射スペクトル図である。図２４内の各図において、横軸は波長λ（μｍ）で、縦軸は反射率Ｒである。

図２４内の各図から分かるように、厚みｄｋ＝０．１５μｍのとき、すなわち赤外光IRの反射中心波長λ０に対して、条件式（１）を満たす値ｄｋ＝０．１５４μｍ近傍のときに、反射スペクトルは殆ど影響を受けず、赤外光IR（波長λ≧７８０ｎｍ）を強く反射していることが分かる。それに対して厚みｄｋ＝０．３〜５０μｍまでのスペクトルには、厚みｄｋ＝∞の反射スペクトルに比べて別の振動が生じていることが分かる。それによって赤外での反射がディップ状に低下している波長域が存在するのが分かる。このことは、第１実施形態における図１１および図１２を用いて説明したことと同様である。

＜＜誘電体積層膜を利用した分波イメージセンサ；第４実施形態＞＞
図２５および図２６は、誘電体積層膜１を利用した単波長分波対応の分光イメージセンサ１１の第４実施形態を説明する図である。

第４実施形態は、誘電体積層膜１をなす誘電体層１＿ｊの層数を低減するようにした第３実施形態に対する変形例であって、層数をさらに低減するようにした点に特徴を有する。具体的には、層数低減に当たって、誘電体積層膜１内において、この誘電体積層膜１を構成する基本的な第１および第２の層材よりも大きな屈折率をもつ複数の部材（層材）を追加した点に特徴を有する。この大きな屈折率をもつ複数の部材を追加するに当たっては、基本的な２つの層材の内の屈折率の大きい方を、さらに大きな屈折率をもつ第５の層材に代えるようにすればよい。この変形例の誘電体積層膜１は、実質的には、複数の第５の層材１＿ηを含めた構造の誘電体積層膜１Ｅとなる。

複数の第５の層材１＿ηに関しては、第３実施形態と同様に、ベースとする誘電体積層膜１をなす第５の層材以外の誘電体層１＿ｊよりも大きな屈折率を持つ部材であればよい。また複数の何れもが同じ部材であってもよいし、それぞれ異なる部材であってもよい。

複数の第５の層材の厚みｄηｐに関しても、その屈折率をｎηｐとしたとき、条件式（１）と同様の低反射膜の理論から、条件式（９）が得られ、条件式（９）を満たすときに、十分な効果を示すことになる。

たとえば、図２５の構造図に示す例では、３層構造の誘電体積層膜１Ｅを構成するようにし、シリコンナイトライドＳｉＮおよび酸化シリコンＳｉＯ２よりも高い屈折率＝４．１を持つ厚みｄη＝６１ｎｍのシリコンＳｉ層を第５の層材として、シリコンナイトライドＳｉＮに代えて２層設けている。その反射スペクトルの計算結果は図２６に示す反射スペクトル図のようになる。言い換えると、誘電体積層膜１Ｅは、シリコン基板１＿ω上に、第２の層材である酸化シリコンＳｉＯ２でなる層を２周期分設けた構造をなしている。

なお、誘電体積層膜１の各層の定数設計に際して、赤外光IRの反射中心波長λ０を１０００ｎｍにしており、第５の層材でなるシリコンＳｉ層の厚みｄη（＝ｄ１，ｄ３）は６１ｎｍ、酸化シリコンＳｉＯ２層の厚みｄβ（＝ｄ２）およびｄｋは１７１ｎｍとしている。

＜＜誘電体積層膜を利用した分波イメージセンサ；第５実施形態＞＞
図２７および図２８は、誘電体積層膜１を利用した単波長分波対応の分光イメージセンサ１１の第５実施形態を説明する図である。

第５実施形態は、第３あるいは第４実施形態の分光イメージセンサ１１に対して、第２実施形態と同様に、可視光領域内における反射を低減するように変形したものである。

図２７の構造図に示す例では、図２５に示した第４実施形態の誘電体積層膜１Ｅに対して、第ｋ層目の誘電体層１＿ｋとシリコン基板１＿ωとの間に、第ｋ層目の誘電体層１＿ｋの屈折率ｎｋとシリコン基板１＿ωの屈折率ｎω（＝４．１）に対して中間的な屈折率をもつ第３の層材を追加している。なお、第２実施形態とは異なり、赤外光IRの反射中心波長λ０を１０００ｎｍにしたままとしている。もちろん、第２実施形態と同様に、赤外光IRの反射中心波長λ０を１０００ｎｍではなくより低い側に変更してもよい。

具体的には、図２７に示す構造においては、第２実施形態における第１の変形例と同様に、第ｋ層目の酸化シリコンＳｉＯ２とシリコン基板１＿ωとの間に厚みｄγが比較的薄いシリコンナイトライドＳｉＮ層１＿γを第３の層材として積層した構造をなしている。ここでは、厚みｄγ＝０．０３０μｍとしている。その反射スペクトルの計算結果は図２８に示す反射スペクトル図のようになる。この変形例の誘電体積層膜１を有する分光イメージセンサ１１は、実質的には、３層の誘電体積層膜１に、第ｋ層の誘電体層１＿ｋ（酸化シリコンＳｉＯ２層）とシリコンナイトライドＳｉＮ層１＿γの２層を含めて、全体として５層構造の誘電体積層膜１Ｆを有するものとなる。

なお、この変形例で追加した第３の層材は、第１の層材であるシリコンナイトライドＳｉＮと同じであるが、シリコン基板１＿ωよりも大きな屈折率を持つ部材であればよく、その他の部材であってもよい。

図示を割愛するが、第２実施形態における第２の変形例と同様に、この変形例で追加した第３の層材とシリコン基板１＿ωとの間に、第３の層材よりも小さな屈折率をもつ第４の層材を積層した構造とすることもできる。

何れも、第２実施形態と同様に、可視光VL領域での反射率を低下させることができ、特に青色Ｂ成分（波長４２０ｎｍ近傍）や緑色Ｇ成分（波長５２０ｎｍ近傍）での反射率は若干増加するものの、赤色Ｒ成分（波長６００ｎｍ近傍）での反射率を十分に低下させることができ、赤外光IRとの分離に適するようになる。

＜分光イメージセンサを適用した撮像装置；ＣＣＤ対応＞
図２９および図３０は、上記実施形態で説明した分光イメージセンサ１１を、インターライン転送方式のＣＣＤ固体撮像素子（ＩＴ＿ＣＣＤイメージセンサ）を用いた撮像装置に適用した場合の回路図である。この撮像装置１００は、本発明に係る物理情報取得装置の一例である。

ここで、図２９は図３と同様に、可視光VL帯内をＲ，Ｇ，Ｂの各色成分に分けつつ赤外光IRを検知するようにした構造を示し、可視光VLの内の青色光Ｂ、緑色光Ｇ、および赤色光Ｒと、赤外光IRとを、それぞれ独立に検知する構造であり、実質的には１つの単位画素マトリクス１２内において波長別に画素（光電変換素子）１２Ｂ，１２Ｇ，１２Ｒを形成しつつ、誘電体積層膜１を有していない画素１２IRを有した構造である。

たとえば、図２９（Ａ）に示すように、ＣＣＤ固体撮像素子１０１は、単位画素マトリクス１２の他に、垂直転送方向に、垂直転送ＣＣＤ１２２が複数本並べられて設けられている。垂直転送ＣＣＤ１２２の電荷転送方向すなわち画素信号の読出方向が縦方向（図中のＸ方向）である。

さらに、垂直転送ＣＣＤ１２２と各単位画素マトリクス１２との間には読出ゲート１２４（波長別には１２４Ｂ，１２４Ｇ，１２４Ｒ，１２４IR）をなすＭＯＳトランジスタが介在し、また各ユニットセル（単位構成要素）の境界部分には図示しないチャネルストップが設けられる。

なお、図２９から分かるように、１つの単位画素マトリクス１２が、青色光Ｂ、緑色光Ｇ、赤色光Ｂ、および赤外光IRを独立に検知する構造であり、実質的には１つの単位画素マトリクス１２内において波長（色）別に画素１２Ｂ，１２Ｇ，１２Ｒ，１２IRを形成した構造である。これら単位画素マトリクス１２を有して構成されるセンサ部１１２の垂直列ごとに設けられ、各センサ部から読出ゲート１２４によって読み出された信号電荷を垂直転送する複数本の垂直転送ＣＣＤ１２２によって撮像エリア１１０が構成される。

ここで、色フィルタ１４の配列としては、たとえば、シリコン基板１＿ωの受光面側における、垂直転送ＣＣＤ１２２の縦方向（Ｘ方向）に青、緑、赤、IR、青、緑、赤、IR、…の順となり、また、複数の垂直転送ＣＣＤ１２２の同一行方向（Ｙ方向）にも、青、緑、赤、IR、青、緑、赤、IR、…の順となるようにする。

センサ部１１２の単位画素マトリクス１２（各画素１２Ｂ，１２Ｇ，１２Ｒ，１２IR）に蓄積された信号電荷は、読出ゲート１２４に読出パルスＲＯＧに対応するドライブパルスφＲＯＧが印加されることで、同一垂直列の垂直転送ＣＣＤ１２２に読み出される。垂直転送ＣＣＤ１２２は、たとえば３相〜８相などの垂直転送クロックＶｘに基づくドライブパルスφＶｘよって転送駆動され、読み出された信号電荷を水平ブランキング期間の一部にて１走査線（１ライン）に相当する部分ずつ順に垂直方向に転送する。この１ラインずつの垂直転送を、特にラインシフトという。

また、ＣＣＤ固体撮像素子１０１には、複数本の垂直転送ＣＣＤ１２２の各転送先側端部すなわち、最後の行の垂直転送ＣＣＤ１２２に隣接して、所定（たとえば左右）方向に延在する水平転送ＣＣＤ１２６（Ｈレジスタ部、水平転送部）が１ライン分設けられる。この水平転送ＣＣＤ１２６は、たとえば２相の水平転送クロックＨ１，Ｈ２に基づくドライブパルスφＨ１，φＨ２によって転送駆動され、複数本の垂直転送ＣＣＤ１２２から転送された１ライン分の信号電荷を、水平ブランキング期間後の水平走査期間において順次水平方向に転送する。このため２相駆動に対応する複数本（２本）の水平転送電極が設けられる。

水平転送ＣＣＤ１２６の転送先の端部には、たとえばフローティング・ディフュージョン・アンプ（ＦＤＡ）構成の電荷電圧変換部を有する出力アンプ１２８が設けられる。出力アンプ１２８は、物理情報取得部の一例であって、電荷電圧変換部において、水平転送ＣＣＤ１２６によって水平転送されてきた信号電荷を順次電圧信号に変換し所定レベルに増幅して出力する。この電圧信号は、被写体からの光の入射量に応じたＣＣＤ出力（Ｖout ）として画素信号が導出される。以上により、インターライン転送方式のＣＣＤ固体撮像素子１１が構成される。

ＣＣＤ出力（Ｖout ）として出力アンプ１２８から導出された画素信号は、図２９（Ｂ）に示す画像信号処理部１４０に入力される。画像信号処理部１４０には、信号切替制御部の一例である画像切替制御部１４２からの画像切替制御信号が入力されるようになっている。ＣＣＤ固体撮像素子１０１は、駆動制御部（駆動部の一例）１４６からの駆動パルスの元で駆動される。

画像切替制御部１４２は、画像信号処理部１４０の出力を赤外光IRの影響をほぼ全く受けない可視光VLのモノクロ画像やカラー画像と、可視光VLの影響をほぼ全く受けない赤外光IRの画像の何れか一方のみ、もしくはこれらの双方、あるいは可視光VLと赤外光IRの混在画像すなわち赤外光IRの輝度を加算した擬似モノクロ画像あるいは擬似カラー画像にするかの切替えを指令する。つまり、可視光VLの画像と赤外光IRに関わる画像との同時撮像出力や切替撮像出力を制御する。

この指令は、撮像装置を操作する外部入力によってもよく、また、画像信号処理部１４０の赤外光IRのない可視光輝度により画像切替制御部１４２が自動処理により切替えを指令してもよい。

ここで、画像信号処理部１４０は、たとえば、各画素の撮像データＲ，Ｇ，Ｂ，IRを同時化する同時化処理、スミア現象やブルーミング現象によって生じる縦縞のノイズ成分を補正する縦縞ノイズ補正処理、ホワイトバランス（ＷＢ；White Balance ）調整を制御するＷＢ制御処理、階調度合いを調整するガンマ補正処理、電荷蓄積時間の異なる２画面の画素情報を利用してダイナミックレンジを拡大するダイナミックレンジ拡大処理、あるいは輝度データ（Ｙ）や色データ（Ｃ）を生成するＹＣ信号生成処理などを行なう。これにより、赤（Ｒ），緑（Ｇ），青（Ｂ）の原色の撮像データ（Ｒ，Ｇ，Ｂ，IRの各画素データ）に基づく可視光VL帯の画像（いわゆる通常画像）が得られる。

また、画像信号処理部１４０は、赤外光IRの画素データを用いて、赤外光IRに関わる画像を生成する。たとえば、誘電体積層膜１を形成しなかった画素１２IRにおいて、赤外光IRだけでなく可視光VLも同時に信号に寄与するように色フィルタ１４Ｃを入れない場合には、画素１２IRからの画素データを用いることで、高感度の画像が得られる。あるいは、色フィルタ１４Ｃとして、緑色フィルタ１４Ｇを入れる場合には、画素１２IRからは赤外光IRと緑色の可視光LGの混在の像が得られるが、画素１２Ｇから得られる緑色成分との差分を取ることで、赤外光IRのみの像が得られる。あるいは、色フィルタ１４Ｃとして黒色フィルタ１４BKを設ける場合には、画素IRからの画素データを用いることで赤外光IRのみの像が得られる。

このようにして生成された各画像は、図示しない表示部に送られ、操作者に可視画像として提示されたり、あるいはそのままハードディスク装置などの記憶装置に記憶・保存されたり、またはその他の機能部に処理済みデータとして送られる。

また、図３０は、可視光VL（青色光、緑色光、および赤色光）と赤外光IRとを独立に検知する構造を示す。詳細な説明は割愛するが、基本的な構成は、図２９に示したと同様であり、実質的には１つの単位画素マトリクス１２（フォトダイオード群）内において可視光VL用の画素１２Ｗを形成しつつ、誘電体積層膜１を有していない画素１２IRを有した構造である。基本的には、色フィルタ１４の配列が異なるだけで、その他の点は図２９と同様である。

ここで、色フィルタ１４の配列としては、たとえば、シリコン基板１＿ωの受光面側における、垂直転送ＣＣＤ１２２の縦方向（Ｘ方向）に可視光VL、赤外光IR、可視光VL、赤外光IR、…の順となり、また、複数の垂直転送ＣＣＤ１２２の同一行方向（Ｙ方向）にも、可視光VL、赤外光IR、可視光VL、赤外光IR、…の順となるようにする。

＜分光イメージセンサを適用した撮像装置；ＣＭＯＳ対応＞
図３１および図３２は、上記実施形態で説明した分光イメージセンサ１１を、ＣＭＯＳ固体撮像素子（ＣＭＯＳイメージセンサ）を用いた撮像装置に適用した場合の回路図である。この撮像装置１００は、本発明に係る物理情報取得装置の一例である。

ここで、図３１は図３と同様に、可視光VL帯内をＲ，Ｇ，Ｂの各色成分に分けつつ赤外光IRを検知するようにした構造を示し、可視光VLの内の青色光Ｂ、緑色光Ｇ、および赤色光Ｒと、赤外光IRとを、それぞれ独立に検知する構造であり、実質的には１つの単位画素マトリクス１２内において波長別に画素（光電変換素子）１２Ｂ，１２Ｇ，１２Ｒを形成しつつ、誘電体積層膜１を有していない画素１２IRを有した構造である。

また、図３２は、可視光VL（青色光、緑色光、および赤色光）と赤外光IRとを独立に検知する構造を示し、実質的には１つの単位画素マトリクス１２（フォトダイオード群）内において可視光VL用の画素１２Ｗを形成しつつ、誘電体積層膜１を有していない画素１２IRを有した構造である。基本的には、色フィルタ１４の配列が異なる（図３０と同様）だけで、その他の点は図３１と同様である。

分光イメージセンサをＣＯＭＳに応用した場合、単位画素マトリクス１２内の１つ１つの画素（光電変換素子）１２Ｂ，１２Ｇ，１２Ｒ，１２IRに対してセルアンプを１つ持つ構造となる。よってこの場合、図３１（Ａ）および図３２のような構造となる。画素信号はセルアンプで増幅された後にノイズキャンセル回路などを通して出力される。

たとえばＣＭＯＳ固体撮像素子２０１は、入射光量に応じた信号を出力する受光素子（電荷生成部の一例）を含む複数個の画素が行および列に配列された（すなわち２次元マトリクス状の）画素部を有し、各画素からの信号出力が電圧信号であって、ＣＤＳ(Correlated Double Sampling ；相関２重サンプリング）処理機能部やデジタル変換部（ＡＤＣ；Analog Digital Converter）などが列並列に設けられている、いわゆる典型的なカラム型となっている。

具体的には、図３１に示すように、ＣＭＯＳ固体撮像素子２０１は、複数の画素１２が行および列に配列された画素部（撮像部）２１０と、画素部２１０の外側に設けられた駆動制御部２０７と、カラム処理部２２６と、出力回路２２８とを備えている。

なお、カラム処理部２２６の前段または後段には、必要に応じて信号増幅機能を持つＡＧＣ(Auto Gain Control) 回路などをカラム処理部２２６と同一の半導体領域に設けることも可能である。カラム処理部２２６の前段でＡＧＣを行なう場合にはアナログ増幅、カラム処理部２２６の後段でＡＧＣを行なう場合にはデジタル増幅となる。ｎビットのデジタルデータを単純に増幅してしまうと、階調が損なわれてしまう可能性があるため、どちらかというとアナログにて増幅した後にデジタル変換するのが好ましいと考えられる。

駆動制御部２０７は、画素部２１０の信号を順次読み出すための制御回路機能を備えている。たとえば、駆動制御部２０７としては、列アドレスや列走査を制御する水平走査回路（列走査回路）２１２と、行アドレスや行走査を制御する垂直走査回路（行走査回路）２１４と、外部との間でのインタフェース機能や内部クロックを生成するなどの機能を持つ通信・タイミング制御部２２０とを備えている。

水平走査回路２１２は、カラム処理部２２６からカウント値を読み出す読出走査部の機能を持つ。これらの駆動制御部２０７の各要素は、画素部２１０とともに、半導体集積回路製造技術と同様の技術を用いて単結晶シリコンなどの半導体領域に一体的に形成され、半導体システムの一例である固体撮像素子（撮像デバイス）として構成される。

図３１では、簡単のため行および列の一部を省略して示しているが、現実には、各行や各列には、数十から数千の画素１２が配置される。この画素１２は、典型的には、受光素子（電荷生成部）としての単位画素マトリクス１２と、増幅用の半導体素子（たとえばトランジスタ）を有する画素内アンプ（セルアンプ；画素信号生成部）２０５（色別には２０５Ｂ，２０５Ｇ，２０５Ｒ）とから構成される。

また、図３１から分かるように、１つの単位画素マトリクス１２が、青色光Ｂ、緑色光Ｇ、赤色光Ｒ、および赤外光IRを独立に検知する構造であり、実質的には１つの単位画素マトリクス１２内において波長（色）別に画素１２Ｂ，１２Ｇ，１２Ｒ，１２IRを形成した構造である。

ここで、色フィルタ１４の配列としては、たとえば、シリコン基板１＿ωの受光面側におけるＸ方向に青、緑、赤、IR、青、緑、赤、IR、…の順となり、またＸ方向と直交するＹ方向にも、青、緑、赤、IR、青、緑、赤、IR、…の順となるようにする。

画素内アンプ２０５としては、たとえばフローティングディフュージョンアンプ構成のものが用いられる。一例としては、電荷生成部に対して、電荷読出部（転送ゲート部／読出ゲート部）の一例である読出選択用トランジスタ、リセットゲート部の一例であるリセットトランジスタ、垂直選択用トランジスタ、およびフローティングディフュージョンの電位変化を検知する検知素子の一例であるソースフォロア構成の増幅用トランジスタを有する、ＣＭＯＳセンサとして汎用的な４つのトランジスタからなる構成のものを使用することができる。

あるいは、特許第２７０８４５５号公報に記載のように、電荷生成部により生成された信号電荷に対応する信号電圧を増幅するための、ドレイン線（ＤＲＮ）に接続された増幅用トランジスタと、画素内アンプ２０５をリセットするためのリセットトランジスタと、垂直シフトレジスタより転送配線（ＴＲＦ）を介して走査される読出選択用トランジスタ（転送ゲート部）を有する、３つのトランジスタからなる構成のものを使用することもできる。

画素１２は、行選択のための行制御線２１５を介して垂直走査回路２１４と、また垂直信号線２１９を介してカラム処理部２２６と、それぞれ接続されている。ここで、行制御線２１５は垂直走査回路２１４から画素に入る配線全般を示す。一例として、この行制御線２１５は、長尺状の散乱体３に対して平行な方向に配される。

水平走査回路２１２や垂直走査回路２１４は、たとえばシフトレジスタやデコーダを含んで構成され、通信・タイミング制御部２２０から与えられる制御信号に応答してアドレス選択動作（走査）を開始するようになっている。このため、行制御線２１５には、画素１２を駆動するための種々のパルス信号（たとえば、リセットパルスＲＳＴ、転送パルスＴＲＦ、ＤＲＮ制御パルスＤＲＮなど）が含まれる。

通信・タイミング制御部２２０は、図示しないが、各部の動作に必要なクロックや所定タイミングのパルス信号を供給するタイミングジェネレータＴＧ（読出アドレス制御装置の一例）の機能ブロックと、端子２２０ａを介してマスタークロックCLK0を受け取り、また端子２２０ｂを介して動作モードなどを指令するデータＤＡＴＡを受け取り、さらにＣＭＯＳ固体撮像素子２０１の情報を含むデータを端子２２０ｃを介して出力する通信インタフェースの機能ブロックとを備える。

たとえば、水平アドレス信号を水平デコーダへ、また垂直アドレス信号を垂直デコーダへ出力し、各デコーダは、それを受けて対応する行もしくは列を選択し、駆動回路を介して画素１２やカラム処理部２２６を駆動する。

この際、画素１２を２次元マトリックス状に配置してあるので、画素内アンプ（画素信号生成部）２０５により生成され垂直信号線２１９を介して列方向に出力されるアナログの画素信号を行単位で（列並列で）アクセスし取り込む（垂直）スキャン読みを行ない、この後に、垂直列の並び方向である行方向にアクセスし画素信号（たとえばデジタル化された画素データ）を出力側へ読み出す（水平）スキャン読みを行なうようにすることで、画素信号や画素データの読出しの高速化を図るのがよい。もちろん、スキャン読みに限らず、読み出したい画素１２を直接にアドレス指定することで、必要な画素１２の情報のみを読み出すランダムアクセスも可能である。

また、通信・タイミング制御部２２０では、端子２２０ａを介して入力されるマスタークロック（マスタークロック）CLK0と同じ周波数のクロックCLK1や、それを２分周したクロックやより分周した低速のクロックをデバイス内の各部、たとえば水平走査回路２１２、垂直走査回路２１４、カラム処理部２２６などに供給する。

垂直走査回路２１４は、画素部２１０の行を選択し、その行に必要なパルスを供給するものである。たとえば、垂直方向の読出行を規定する（画素部２１０の行を選択する）垂直デコーダと、垂直デコーダにて規定された読出アドレス上（行方向）の画素１２に対する行制御線２１５にパルスを供給して駆動する垂直駆動回路とを有する。なお、垂直デコーダは、信号を読み出す行の他に、電子シャッタ用の行なども選択する。

水平走査回路２１２は、低速クロックCLK2に同期してカラム処理部２２６内の図示しないカラム回路を順番に選択し、その信号を水平信号線（水平出力線）２１８に導くものである。たとえば、水平方向の読出列を規定する（カラム処理部２２６内の個々のカラム回路を選択する）水平デコーダと、水平デコーダにて規定された読出アドレスに従って、選択スイッチ２２７にてカラム処理部２２６の各信号を水平信号線２１８に導く水平駆動回路とを有する。なお、水平信号線２１８は、たとえばカラムＡＤ回路が取り扱うビット数ｎ（ｎは正の整数）分、たとえば１０（＝ｎ）ビットならば、そのビット数分に対応して１０本配置される。

このような構成のＣＭＯＳ固体撮像素子２０１において、画素１２から出力された画素信号は、垂直列ごとに、垂直信号線２１９を介して、カラム処理部２２６のカラム回路に供給される。ここで、単位画素マトリクス１２（各画素１２Ｂ，１２Ｇ，１２Ｒ，１２IR）に蓄積された信号電荷は、同一垂直列の垂直信号線２１９を介して読み出される。

カラム処理部２２６の各カラム回路は、１列分の画素の信号を受けて、その信号を処理する。たとえば、各カラム回路は、アナログ信号を、たとえば低速クロックCLK2を用いて、たとえば１０ビットのデジタルデータに変換するＡＤＣ(Analog Digital Converter)回路を持つ。

また、回路構成を工夫することで、垂直信号線２１９を介して入力された電圧モードの画素信号に対して、画素リセット直後の信号レベル（ノイズレベル）と真の（受光光量に応じた）信号レベルＶsig との差分をとる処理を行なうことができる。これにより、固定パターンノイズ（ＦＰＮ；Fixed Pattern Noise ）やリセットノイズといわれるノイズ信号成分を取り除くことができる。

このカラム回路で処理されたアナログの画素信号（あるいはデジタルの画素データ）は、水平走査回路２１２からの水平選択信号により駆動される水平選択スイッチ２１７を介して水平信号線２１８に伝達され、さらに出力回路２２８に入力される。なお、１０ビットは一例であって、１０ビット未満（たとえば８ビット）や１０ビットを超えるビット数（たとえば１４ビット）など、その他のビット数としてもよい。

このような構成によって、電荷生成部としての単位画素マトリクス１２（画素１２Ｂ，１２Ｇ，１２Ｒ，１２IR）が行列状に配された画素部２１０からは、行ごとに各垂直列について画素信号が順次出力される。そして、受光素子が行列状に配された画素部２１０に対応する１枚分の画像すなわちフレーム画像が、画素部２１０全体の画素信号の集合で示されることとなる。

出力回路２２８は、ＣＣＤ固体撮像素子１０１における出力アンプ１２８に対応するものであって、その後段には、ＣＣＤ固体撮像素子１０１と同様に、図３１（Ｂ）に示すように、画像信号処理部１４０が設けられる。画像信号処理部１４０には、ＣＣＤ固体撮像素子１０１の場合と同様に、画像切替制御部１４２からの画像切替制御信号が入力されるようになっている。

これにより、赤（Ｒ），緑（Ｇ），青（Ｂ）の原色の撮像データ（Ｒ，Ｇ，Ｂ，IRの各画素データ）もしくは可視光VL用の画素データに基づく可視光VL帯の画像（いわゆる通常画像）が得られるとともに、赤外光IRの画素データを用いることで、赤外光IRに関わる画像を得ることができる。

なお、図示を割愛するが、図２９や図３１を基本構成として利用しつつ、赤外光IR用の画素１２IRを取り除くことで、可視光VL帯内をＲ，Ｇ，Ｂの各色成分に分けて検知するようにした構造とすることもできる。

色フィルタ１４の配列としては、たとえば、シリコン基板１＿ωの受光面側における、垂直転送ＣＣＤ１２２の縦方向（Ｘ方向）に青、緑、赤、緑、青、緑、赤、緑、青、…の順となり、また、複数の垂直転送ＣＣＤ１２２の同一行方向（Ｙ方向）にも、青、緑、赤、緑、青、緑、赤、緑、青、…の順となるようにする。あるいは、２行２列の単位画素マトリクス１２内において、２つのＧ色とそれぞれ１つのＲ色およびＢ色を配したいわゆるベイヤ配列とすることもできる。また、Ｂ，Ｇ，Ｒの３色に第４色（たとえばエメラルド）を加えることで色再現範囲を拡張するようにしてもよい。

これらの場合、可視光VL領域のみの撮像にはなるが、減色フィルタの一例として赤外線カットフィルタをセンサの前に入れる必要がなくなる。高価な赤外線カットフィルタを不要にすることで、コストを大幅に低減できる。また、厚みや重さのある赤外線カットフィルタを不要にすることで、光学系を軽量かつコンパクトにできる。もちろん、赤外線カットフィルタの挿入／抜出機構が不要であり、装置が大がかりになることもない。

もちろん、このようなコスト的に有利になるなどの点は、既存のガラス製の赤外光カットフィルタを誘電体積層膜に代えた、撮像センサと誘電体積層膜とが別体の構成（検知部と誘電体積層膜とが一体構成でない）でも言えることである。

たとえば、既存のガラス製の赤外光カットフィルタを用いる場合に比べて、コスト的に有利になるし、コンパクトになって携帯性などに優れたデジタルカメラなどの撮像装置を提供することができる。

また、赤外線カットフィルタをセンサの前に入れる構成では、ガラス基板をＣＣＤやＣＭＯＳなどの撮像素子の前に入れることで光路の途中に空気とガラス界面が生じてしまう。したがって、透過してほしい可視光の光までがその界面で反射されてしまい、感度低下を導く問題が生じる。さらにこのような界面が多くなることで、斜め入射における（ガラス内で）屈折する角度が波長によって異なり、光路の変化による焦点ぼけを引き起こす。これに対して、誘電体積層膜を用いることで、このような波長による焦点ぼけがなくなる利点が得られる。

＜＜製造プロセスの具体例＞＞
図３３は、上記実施形態で説明したセンサ構造の分光イメージセンサを製造する具体的なプロセス例を示す図である。この図３３は、赤外光IR用の受光部と可視光VL用の受光部とを備えた分光イメージセンサの製造プロセス例である。

この構造の作製に当たっては、図２９および図３０あるいは図３１および図３２に示されるような一般的なＣＣＤやＣＭＯＳ構造の回路をまず形成する（図３３（Ａ））。この後に、Ｓｉフォトダイオードの上にたとえばＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition ；化学気相成長法）などを用いてＳｉＯ２膜とＳｉＮを順次積層する（図３３（Ｂ））。

この後、たとえば４つの画素の内１つだけをＲＩＥ（Reactive Ion Etching）法などを用いてエッチングすることで、赤外光IR用の受光部に最下層のＳｉＯ２膜に達する開口部を設ける（図３３（Ｅ））。

この後、誘電体積層膜１などの保護のために、一部に開口部が設けられた誘電体積層膜１上にたとえば再度ＣＶＤなどを用いてＳｉＯ２膜を積層する（図３３（Ｆ））。もちろん、このプロセスは必須ではない。

なお、この際、可視光VL用の３つの画素（Ｒ，Ｇ，Ｂ成分用）をエッチングしないように、赤外光IR用の受光部に開口部が設けられたフォトレジストを用いてもよい（図３３（Ｃ），（Ｄ））。この場合、誘電体積層膜１上にＳｉＯ２膜を積層する前に、フォトレジストを除去する必要がある（図３３（Ｄ）→（Ｅ））。

また、図示を割愛するが、さらにその上に色フィルタやマイクロレンズを画素に対応するように形成してもよい。

さらに若干の赤外光IRが漏れて可視光VL用の光電変換素子（フォトダイオードなど）に入射する場合、全体に弱い赤外線カットフィルタを入れてもよい。たとえば５０％以下の赤外線カットフィルタを入れることで、可視光VLに対して殆ど問題のないレベルまでカットしても赤外光IR用の光電変換素子（フォトダイオードなど）では、赤外光IRが集光するので十分な感度となる。

なお、このような製造プロセスでは、Ｓｉ基板表面近くまでエッチングする、すなわち赤外光IR用の受光部に最下層のＳｉＯ２膜に達する開口部を設けるため（図３３（Ｅ））、エッチングによるダメージが問題になることがある。この場合は、Ｓｉ基板直上のＳｉＯ２層の厚みｄを大きくしてダメージを低減することも可能である。

ここでｄｋ＝２．５μｍ以上になると、図１１のように反射スペクトルの赤外光IR領域でのディップの半値幅が狭くなるので、一般的なブロードな自然光に対して平均化された反射率となるので、赤外光の反射が可能となる。したがって望ましくは第ｋ番目の誘電体層１＿ｋの厚みｄｋを２．５μｍ以上にするのがよい。さらに望ましくは、５μｍ以上の厚みにするとなおよい。

また、シリコン基板１＿ω上に形成されるフォトダイオードや画素内アンプなどためのメタル配線、すなわち、単位信号生成部としての画素内アンプなどから単位信号としての画素信号を撮像部（検出領域）から読み出すための信号線をなす配線層をシリコン基板１＿ω直上に形成する場合、シリコン基板１＿ω直上に誘電体積層膜１を設けた構造よりは、シリコン基板１＿ω上である程度離したところに誘電体積層膜１を形成する、すなわちメタル配線より上側に誘電体積層膜１を形成することで、プロセスが容易になり、コストが低く抑えられるメリットが得られる。詳しくは後述するが、誘電体積層膜１をなす層数を増やすことで、ある程度よい結果が得られる。以下、メタル配線を考慮した分光イメージセンサについて説明する。

＜＜誘電体積層膜を利用した分波イメージセンサ；第６実施形態＞＞
図３４〜図４０は、誘電体積層膜１を利用した単波長分波対応の分光イメージセンサ１１の第６実施形態を説明する図である。第６実施形態は、図１０〜図１４にて説明した手法を基本として、メタル配線を考慮して、シリコン基板１＿ωよりある程度距離の離れた上側において、誘電体積層膜１をシリコン基板１＿ω上に、フォトダイオードなどの検知部と一体的に形成する点に特徴を有する。

たとえば、図３４のように、ＣＭＯＳ構造を考えると、フォトダイオードなどの検知部が形成された半導体素子層上に配線層を１つ有し、その厚みが０．７μｍ程度ある場合において、フォトダイオードなどが形成されるシリコン基板１＿ωよりも略０．７μｍ上に多層膜構造を一体的に形成する場合、第１層目の配線層のプロセスの後に誘電体積層膜１を形成すればよい。こうすることで、厚みｄｋ≒０．７μｍを持つ第ｋ層内に配線層を設けることができる。

また、図３５のように、半導体素子層上に配線層を３つ有し、それらの総厚みが３．２μｍ程度ある場合において、フォトダイオードなどが形成されるシリコン基板１＿ωよりも略３．２μｍ上に多層膜構造を一体的に形成する場合、最上である第３層目の配線層のプロセスの後に誘電体積層膜１を形成すればよいことになる。こうすることで、厚みｄｋ＝３．２μｍを持つ第ｋ層内に配線層を設けることができる。

ここで、“略３．２μｍ”と記載したのは、図示のように、本例では、シリコン基板１＿ω上に厚みが１０ｎｍ程度のＳｉＯ２層（δ層）を設け、その上に、厚みが６５ｎｍ程度のＳｉＮ層（γ層）を設けており、“３．２μｍ”は、これらγ，δ層を除くｋ層の厚さを意味するからである。

色フィルタ１４やマイクロレンズなどは、この誘電体積層膜１を形成した後に形成すればよい。

これらに対応する分光イメージセンサ１１として、たとえば、図３６では、図１７に示した第２実施形態の７層構造としつつ、第ｋ層の誘電体層１＿ｋ（酸化シリコンＳｉＯ２層）とシリコンナイトライドＳｉＮ層１＿γと酸化シリコンＳｉＯ２層１＿δの３層分を持つ誘電体積層膜１Ｃをベースとして、第ｋ層の誘電体層１＿ｋの厚さを７００ｎｍにしている。また、第ｋ層目の酸化シリコンＳｉＯ２とシリコン基板１＿ωとの間に厚みｄγ＝６５ｎｍもしくは１００ｎｍの比較的薄いシリコンナイトライドＳｉＮ層１＿γを第３の層材として積層し、さらに、この追加した第３の層材とシリコン基板１＿ωとの間に、第３の層材よりも小さな屈折率をもつ第４の層材としての酸化シリコンＳｉＯ２層１＿δを厚みｄδ＝１０ｎｍで積層した誘電体積層膜１Ｃにしている。

また、図３７では、基本となる誘電体積層膜１を９層構造としつつ、第ｋ層の誘電体層１＿ｋの厚さを７００ｎｍもしくは３．２μｍにしている。また、第ｋ層目の酸化シリコンＳｉＯ２とシリコン基板１＿ωとの間に厚みｄγ＝６５ｎｍの比較的薄いシリコンナイトライドＳｉＮ層１＿γを第３の層材として積層し、さらに、この追加した第３の層材とシリコン基板１＿ωとの間に、第３の層材よりも小さな屈折率をもつ第４の層材としての酸化シリコンＳｉＯ２層１＿δを厚みｄδ＝１０ｎｍで積層した誘電体積層膜１Ｃにしている。

これらの反射スペクトルの計算結果は図３８〜図４０に示すようになる。図３７や図３６から分かるように、０．７μｍや３．２μｍほどシリコン基板１＿ωり上側に誘電体積層膜１を形成することで、配線プロセスが容易になる。なお、正確には、シリコン基板１＿ω直上には第４の層材であるＳｉＯ２層と第３の層材であるＳｉＮ層の順にそれぞれ１０ｎｍと６５ｎｍ（あるいは１００ｎｍ）の厚が存在するので、それより上側になる。

ここではＳｉＮ膜とＳｉＯ２膜とを有する誘電体積層膜１において、７層の場合と９層の場合を示したたが、図３９から分かるように、７層の場合に比べて９層まで多層構造の層数を増やすと、赤外光IR領域での反射率Ｒが０．９を超えて十分になるのが分かる。

また図４０から分かるように、第ｋ番目の誘電体層１＿ｋの厚みｄｋが３．２μｍの７層構造では、赤外光反射領域でのディップが大きく、結果として反射が大きく低下していることが分かる。しかしながら、これも９層まで層数を増やすと、これらのディップが小さくなり、赤外光IR領域での反射が十分になることが分かる。

また、図３８から分かるように、第３の層材であるＳｉＮ層の厚さｄγが厚いと、可視光VL領域での反射が高くなる。これは、第２実施形態において説明したように、中間層として設ける第３の層材は、可視光領域内における反射を低減することを目的とするものであり、中間層とし設けた誘電体層１＿γの厚みｄγは、式（６）を満足することが理想的であり、薄い方には十分な余裕があるが、大きい方には余裕が少ないことによると考えられる。

このように、従来の配線プロセスを行なった後に、誘電体積層膜１を形成する方が製造が容易となり、新たなプロセスの検討が不必要となりコスト的によい。すなわち図３５のようなＣＭＯＳ構造を作製することで、プロセスも容易にできて、かつ有効な効果が得られることになる。誘電体積層膜１を形成してから配線プロセスをすると、誘電体積層膜１の除去などを行なうなどプロセス的に困難になるのと大きな違いである。

＜色分離フィルタ配列；第１例＞
図４１は、色分離フィルタ配置の第１の具体例（以下第１具体例という）を示す図である。この第１具体例は、可視光カラー画像を撮像するための検知領域以外に、可視光を排除し赤外光のみを受光・検知する検知領域を設けている点に特徴を有する。

図４１（Ａ）に示すように、各色のフィルタをモザイク状に配したいわゆるベイヤー（Ｂａｙｅｒ）配列の基本形のカラーフィルタを利用しており、先ず、正方格子状に配された単位画素が赤（Ｒ），緑（Ｇ），青（Ｂ）の３色カラーフィルタに対応するように、色分離フィルタの繰返単位が２画素×２画素で配されて画素部を構成するようにする。また、可視光を排除し赤外光のみを受光・検知する検知部（検知領域）を設けるべく、２つの緑（Ｇ）のうちの一方を黒色フィルタBKに置き換える。つまり、可視光カラー画像用に原色フィルタＲ，Ｇ，Ｂの３つの波長領域（色成分）用のものと、原色フィルタＲ，Ｇ，Ｂの成分とは異なる赤外光用の黒色フィルタBKといった別個のフィルタ特性を有する４種類の色フィルタを規則的に配設している。

たとえば、偶数行奇数列には第１のカラー（赤；Ｒ）を感知するための第１のカラー画素を配し、奇数行奇数列には第２のカラー（緑；Ｇ）を感知するための第２のカラー画素を配し、奇数行偶数列には第３のカラー（青；Ｂ）を感知するための第３のカラー画素を配し、偶数行偶数列には赤外光IRを感知するための第４のカラー画素（ここでは黒色補正画素）を配しており、行ごとに異なったＧ／Ｂ、またはＲ／BKの画素が市松模様状に配置されている。このようなベイヤー配列の基本形のカラーフィルタの色配列は、行方向および列方向の何れについても、Ｇ／ＢまたはＲ／BKの２色が２つごとに繰り返される。

原色フィルタＲ，Ｇ，Ｂを通して対応する検知部で検知することで可視光カラー画像を撮像できるとともに、黒色フィルタBKを通して対応する検知部で検知することで赤外光画像を可視光カラー画像とは独立かつ同時に撮像することができる。原色フィルタＲ，Ｇ，Ｂが配される検知部（検知要素）は、通過波長領域である可視光領域をさらに波長分離して検知するためのものである。

なお、上記例では、可視光カラー画像撮像用の色フィルタ１４として、原色フィルタ１４Ｒ，１４Ｇ，１４Ｂを用いていたが、補色フィルタＣｙ，Ｍｇ，Ｙｅを用いることもできる。補色フィルタＣｙ，Ｍｇ，Ｙｅが配される検知部（検知要素）は、通過波長領域である可視光領域をさらに波長分離して検知するためのものである。この場合たとえば、図４１（Ｂ）に示すように、原色フィルタ１４ＲをイエローＹｅに、原色フィルタ１４ＧをマゼンタＭｇに、原色フィルタ１４ＢをシアンＣｙに、それぞれ置き換えた配置とするとよい。そして、対角に２つ存在することになるマゼンタＭｇの一方に、補正画素としての黒色フィルタBKを配する。

黒色フィルタが配される画素を除く画素１２Ｃｙ，１２Ｍｇ，１２Ｙｅ上には誘電体積層膜１が形成され、さらにその上に、補色フィルタ１４Ｃｙ，１４Ｍｇ，１４Ｙｅが設けられ、補色フィルタ１４Ｃｙ，１４Ｍｇ，１４Ｙｅを通して可視光VLの内の対応するシアンＣｙ、マゼンタＭｇ、およびイエローＹｅの各色を受光するようにする。つまり、誘電体積層膜を補色系のカラーフィルタのある画素の検知部上に形成することで、赤外光を効果的にカットできる機能を持たせる。

また、Ｃｙ，Ｍｇ，Ｙｅの補色フィルタのみの組合せに限らず、原色フィルタの１つである緑色フィルタＧや白色フィルタＷを補色フィルタと組み合せたものに対しても、補正画素をなす黒色フィルタBKの画素を設けることもできる。たとえば、図４１（Ｃ）に示すように、Ｃｙ，Ｍｇの２つの補色フィルタとＧの原色フィルタとを組み合わせたフィールド蓄積周波数インターリーブ方式用のものにおいて、４画素内に２つ存在する原色フィルタＧの内の一方を補正画素としての黒色フィルタBKに置き換えるとよい。

＜センサ構造の具体例１；ＣＣＤ対応＞
図４２および図４３は、図４１に示した色分離フィルタの配置を持ち、赤外光IRのみと可視光VLの２つの波長成分を同時に像として別々に撮像できるようにしたＣＣＤ固体撮像素子を説明する図である。ここで、図４２は、構造例を示す見取り図（斜視図）である。また、図４３は、基板表面付近の断面構造図である。なおここでは、誘電体積層膜１を利用したＣＣＤ固体撮像素子１０１への適用事例で示している。

図４２に示すＣＣＤ固体撮像素子１０１の構造においては、４画素でなる単位画素マトリクス１２だけを示しているが、実際にはこれを横方向に繰り返し、それをさらに縦方向に繰り返した構造である。

単位画素マトリクス１２をなす周期配列の４画素の内、１つの画素１２IR上には誘電体積層膜１が形成されていないが黒色フィルタ１４BKが設けられていて、この黒色フィルタ１４BKを通して赤外光IRのみを受光するようになっている。つまり、赤外光IRの画素１２IRの上に、色フィルタ１４として黒色フィルタ１４BKを用いることによって、可視光VLをカットし、赤外光IRのみを受光できるようにしている。この黒色フィルタ１４BKが設けられた画素１２IRを黒色画素１２BKとも呼ぶ。

一方、他の３つの画素１２Ｂ，１２Ｇ，１２Ｒ上には誘電体積層膜１が形成され、さらにその上に原色フィルタ１４Ｒ，１４Ｇ，１４Ｂが設けられていて、原色フィルタ１４Ｒ，１４Ｇ，１４Ｂを通して可視光VLの内の対応する青色Ｂ、緑色Ｇ、および赤色Ｒの３原色を受光するようにしている。つまり、誘電体積層膜を３原色系のカラーフィルタのある画素の検知部上に形成することで、赤外光を効果的にカットできる機能を持たせている。なお、回路構成は、図２９に示されるものを採用した。

また基板表面付近の断面構造図を示した図４３では、可視光VLのみを受光する画素を示している。赤外光IRを受光する画素１２IRは、誘電体積層膜１および黒色フィルタ１４BKがない構造である。すなわち、図３３で説明した作製プロセス工程のように誘電体積層膜を図１３に示した構造でＣＶＤ法でＳｉＮ層とＳｉＯ２層を順次積層した後、リソグラフィ技術とＲＩＥ法によって赤外光IRを受光する画素のみにおいて除去する。その後、再びＳｉＯ２層を積層して平坦化した。

このような構造で作製された撮像素子を用いることで、３原色成分に基づく可視光カラー画像と、赤外光IRのみの像を同時に撮像できることが分かった。すなわち、色フィルタ１４Ｃとして、可視光VLのみを吸収するような黒色フィルタ１４BKを設けると、可視光VLをこの黒色フィルタ１４BKで吸収させることができ、赤外光IRの画素１２IRからの画像データに基づいて赤外光IRのみの像が得られることになる。

＜色分離フィルタ配列；第２例＞
図４４は、色分離フィルタ配置の第２の具体例（以下第２具体例という）を示す図である。この第２具体例は、可視光カラー画像を撮像するための検知領域以外に、赤外光とともに可視光の全波長成分をも受光・検知する検知領域を設ける点に特徴を有する。

図４４（Ａ）に示すように、いわゆるベイヤー配列の基本形のカラーフィルタを利用しており、先ず、正方格子状に配された単位画素が赤（Ｒ），緑（Ｇ），青（Ｂ）の３色カラーフィルタに対応するように、色分離フィルタの繰返単位が２画素×２画素で配されて画素部を構成するようにする。また、赤外光とともに可視光の全波長成分を受光・検知する検知部（検知領域）を設けるべく、２つの緑（Ｇ）のうちの一方を白色フィルタＷに置き換える。つまり、可視光カラー画像用に原色フィルタＲ，Ｇ，Ｂの３つの波長領域（色成分）用のものと、原色フィルタＲ，Ｇ，Ｂの成分とは異なる赤外光用の白色フィルタＷといった別個のフィルタ特性を有する４種類の色フィルタを規則的に配設している。

なお、白色フィルタＷが配される白色画素は、可視光から赤外光（特に近赤外光）までの全波長の成分を通過させるものであり、この点においては、事実上、カラーフィルタを設けない構成を採ることができる。

たとえば、偶数行奇数列には第１のカラー（赤；Ｒ）を感知するための第１のカラー画素を配し、奇数行奇数列には第２のカラー（緑；Ｇ）を感知するための第２のカラー画素を配し、奇数行偶数列には第３のカラー（青；Ｂ）を感知するための第３のカラー画素を配し、偶数行偶数列には赤外光IRを感知するための第４のカラー画素（ここでは白画素）を配しており、行ごとに異なったＧ／Ｂ、またはＲ／Ｗの画素が市松模様状に配置されている。このようなベイヤー配列の基本形のカラーフィルタの色配列は、行方向および列方向の何れについても、Ｇ／ＢまたはＲ／Ｗの２色が２つごとに繰り返される。

原色フィルタＲ，Ｇ，Ｂを通して対応する検知部で検知することで可視光カラー画像を撮像できるとともに、白色フィルタＷを通して対応する検知部で検知することで赤外光画像、もしくは赤外光と可視光の混在画像を可視光カラー画像とは独立かつ同時に撮像することができる。たとえば、赤外光IRと可視光VLの混合成分を受光する画素１２IRからの画素データをそのまま用いることで、赤外光IRと可視光VLの混合成分の像を得ることができ、感度を高くすることができる。また、赤外光IRと可視光VLの混合成分の像とともに可視光VLの像が得られるが、両者の差分を取ることで、赤外光IRのみの像が得られる。

なお、上記例では、可視光カラー画像撮像用の色フィルタ１４として、原色フィルタ１４Ｒ，１４Ｇ，１４Ｂを用いていたが、補色フィルタＣｙ，Ｍｇ，Ｙｅを用いることもできる。この場合たとえば、図４４（Ｂ）に示すように、原色フィルタ１４ＲをイエローＹｅに、原色フィルタ１４ＧをマゼンタＭｇに、原色フィルタ１４ＢをシアンＣｙに、それぞれ置き換えた配置とするとよい。そして、対角に２つ存在することになるマゼンタＭｇの一方に、赤外光像取得用の白色フィルタＷを配する。

白色フィルタが配される画素を除く画素１２Ｃｙ，１２Ｍｇ，１２Ｙｅ上には誘電体積層膜１が形成され、さらにその上に、補色フィルタ１４Ｃｙ，１４Ｍｇ，１４Ｙｅが設けられ、補色フィルタ１４Ｃｙ，１４Ｍｇ，１４Ｙｅを通して可視光VLの内の対応するシアンＣｙ、マゼンタＭｇ、およびイエローＹｅの各色を受光するようにする。つまり、誘電体積層膜を補色系のカラーフィルタのある画素の検知部上に形成することで、赤外光を効果的にカットできる機能を持たせる。

また、Ｃｙ，Ｍｇ，Ｙｅの補色フィルタのみの組合せに限らず、原色フィルタの１つである緑色フィルタＧを補色フィルタと組み合せたものに対しても、補正画素をなす白色フィルタＷの画素を設けることもできる。たとえば、図４４（Ｃ）に示すように、Ｃｙ，Ｍｇの２つの補色フィルタとＧの原色フィルタとを組み合わせたフィールド蓄積周波数インターリーブ方式用のものにおいて、４画素内に２つ存在する原色フィルタＧの内の一方を補正画素としての白色フィルタＷに置き換えるとよい。

ところで、白色補正画素１２Ｗは、可視光VLから赤外光IRまで広い波長領域において感度があるので、可視光カラー画像撮像用の画素（ここでは原色フィルタが配された原色画素）に比べて信号が飽和し易く、特に明るい環境下での撮像においては、この飽和現象が問題となり得る。具体的には、明るい環境下では、適正な赤外光画像を取得できない。

この飽和の問題を解消するには、白色フィルタＷが配される検知部の検知時間を駆動制御部１４６により制御するとよい。たとえば、明るい環境下での撮像においては、シャッタ機能（メカシャッタに限らず電子シャッタを含む）を利用した露光制御を用いて、高速で撮像するようにするとよい。たとえば、撮像素子に対して短い周期で露光を行なって、その撮像素子（詳しくは検知部）から画素信号を読み出して、それを画像信号処理部１４０に送ってもよい。

この場合、たとえば６０フレーム／秒より高いレートで露光と信号読出し行なうことで飽和に対して効果が高まる。あるいは単に０．０１６６７秒より短い時間（蓄積時間）で信号読出し行なうことができればよい。この場合、たとえば、オーバーフローを用いて基板側に電荷信号を排出することで実効的に短い時間での電荷の蓄積を読み出してもよい。

さらに望ましくは２４０フレーム／秒より高いレートで露光と信号読出し行なうことで飽和に対しての効果をさらに向上させることができる。あるいは単に４．１６ミリ秒より短い時間（蓄積時間）で信号読出し行なうことができればよい。

なお、このように飽和しないように短い時間（蓄積時間）で電荷を読み出す対象画素は、白色補正画素１２Ｗのみとしてもよいし、可視光カラー画像撮像用の他の画素（ここでは原色フィルタが配された原色画素）を含む全画素としてもよい。

また、さらに短い露光時間で読み取った信号を２回以上積算することで、暗部における弱い信号を強い信号に変換し、Ｓ／Ｎ比を高めてもよい。たとえば、このようにすることで、暗い環境下で撮像しても、また明るい環境下で撮像しても適切な感度と高いＳ／Ｎ比が得られ、ダイナミックレンジが広がることになる。つまり、高速で撮像することで白色補正画素１２Ｗでの飽和が起き難くなるとともに、信号を積算することで広いダイナミックレンジがとれるようになる。

＜センサ構造の具体例２；ＣＣＤ対応＞
図４５は、図４４に示した色分離フィルタの配置を持ち、赤外光IRと可視光VLの２つの波長成分を同時に像として別々に撮像できるようにしたＣＣＤ固体撮像素子を説明する図である。ここで、図４５は、構造例を示す見取り図（斜視図）である。なおここでは、誘電体積層膜を利用したＣＣＤ固体撮像素子１０１への適用事例で示している。基板表面付近の断面構造図は図４３と同様である。

図４５に示すＣＣＤ固体撮像素子１０１の構造においては、４画素でなる単位画素マトリクス１２だけを示しているが、実際にはこれを横方向に繰り返し、それをさらに縦方向に繰り返した構造である。

単位画素マトリクス１２をなす周期配列の４画素の内、１つの画素１２IR上には誘電体積層膜１が形成されていないし色フィルタ１４が設けられておらず、色フィルタ１４を通さずに赤外光IRを受光するようになっている。この場合、画素１２IRでは、赤外光IRと可視光VLの混合成分を受光できるようになる。この色フィルタ１４が設けられていない画素１２IRを白色画素１２Ｗあるいは全域通過画素と呼ぶ。

このように、誘電体積層膜１を形成しなかった画素１２IRにおいて、赤外光IRだけでなく可視光VLも同時に信号に寄与するように、白色画素１２Ｗについては、色フィルタ１４を入れない。こうすることで、実質的に、赤外光用の画素１２IRを、赤外光IR用のみでなく、赤外光IR用と可視光VL用を兼ねる画素として機能させることができる。

一方、他の３つの画素１２Ｂ，１２Ｇ，１２Ｒ上には誘電体積層膜１が形成され、さらにその上に、原色フィルタ１４Ｒ，１４Ｇ，１４Ｂが設けられていて、原色フィルタ１４Ｒ，１４Ｇ，１４Ｂを通して可視光VLの内の対応する青色Ｂ、緑色Ｇ、および赤色Ｒの３原色を受光するようにしている。つまり、誘電体積層膜を３原色系のカラーフィルタのある画素の検知部上に形成することで、赤外光を効果的にカットできる機能を持たせている。第２具体例において用いる原色フィルタ１４Ｒ，１４Ｇ，１４Ｂとしては、図６４（Ａ）に示した第１具体例と同様のものを用いることができる。なお、回路構成は、図２９に示されるものを採用した。

このような構造で作製された撮像素子を用いることで、３原色成分に基づく可視光カラー画像と、赤外光IRのみの像または赤外光IRと可視光VLの混合の像を同時に撮像できることが分かった。たとえば、赤外光IRと可視光VLの混合成分を受光する画素１２IRからの画素データをそのまま用いることで、赤外光IRと可視光VLの混合成分の像を得ることができ、感度を高くすることができる。また、赤外光IRと可視光VLの混合成分の像とともに可視光VLの像が得られるが、両者の差分を取ることで、赤外光IRのみの像が得られる。

なお、図示を割愛するが、白色フィルタ１４Ｗを可視光領域の内のＧ色成分と赤外光成分とを通過させ、残り（可視光領域の内のＢ色成分とＲ色成分）を遮断する緑色フィルタに置き換えるなど、赤外光とともに可視光内のある特定の波長成分を受光・検知する検知領域を設ける構成を採ることもできる。

この場合でも、赤外光IRと可視光VLの内のある波長成分を受光する画素１２IRからの画素データをそのまま用いることで、赤外光IRと可視光VLの内のある波長成分の混合成分の像を得ることができ、感度を高くすることができる。また、その混合成分の像とともに可視光VLの像が得られるが、可視光VLの像の内の前記ある波長成分との差分を取ることで、赤外光IRのみの像が得られる。

＜色分離フィルタの他の配置例＞
図４６〜図５２は、解像度低下を考慮した画素配列を説明する図である。画素配列に関して言えば、図４１や図４４のような配列構造を適用した場合、単純に従来のＲＧＢ原色フィルタやＣｙＭｇＹｅ補色フィルタ（あるいは原色フィルタＧ）の可視光の画素に、赤外光（または赤外光と可視光の混合）検知用の画素を追加することになる。

たとえば、本来、可視光カラー画像撮像用の緑色画素Ｇやマゼンタ色画素Ｍｇが、黒色補正画素や白色画素や緑色補正画素もしくはマゼンタ色補正画素に置き換わることになり、可視光カラー画像および赤外光画像の何れについても、解像度低下を招く可能性がある。たとえば、従来のＲＧＢベイヤー配列のＧの１つの画素を赤外画素に置き換えると、解像度が低下する。しかしながら、補正画素と解像度に大きく寄与する波長成分の画素（たとえば緑色画素Ｇ）の配置態様を工夫することで、この解像度低下の問題を解消することができる。

この際に重要なことは、従来と同様に、各色のフィルタをモザイク状に配した色分離フィルタ構造を採用する場合、赤外光（または赤外光と可視光の混在）の画素がある一定の格子間隔を持ってモザイク模様になるようにするとともに、可視光の原色系ＲＧＢまたは補色系ＣｙＭｇＹｅ画素の内の１つの画素がある一定の格子間隔を持ってモザイク模様になるように配置することである。

ここで、「モザイク模様になるようにする」とは、ある色画素に着目したとき、それらがある一定の格子間隔を持って格子状に配列されるようにすることを意味する。必ずしも、その色画素が隣接することを必須とはしない。なお、色画素が隣接する配置態様を採った場合の典型例としては、赤外光の画素とその他の色画素の正方形を互い違い並べた碁盤目模様（市松模様）となるようにする配置態様がある。あるいは、可視光の原色系ＲＧＢまたは補色系ＣｙＭｇＹｅ画素の内の１つの画素とその他の色画素の正方形を互い違い並べた碁盤目模様（市松模様）となるようにする配置態様がある。

＜原色フィルタへの適用例＞
たとえば、ＲＧＢ原色フィルタを用いつつ可視光カラー画像の解像度低下を抑えるには、可視光領域のＧの画素の配置密度を維持し、可視光領域の残りのＲもしくはＢの画素を、補正用の黒画素や白画素や緑色画素に置き換えるとよい。たとえば図４６に示すように、２行２列の単位画素マトリクス１２内において、先ず、奇数行奇数列および偶数行偶数列に可視光領域の緑色成分を感知するためのカラー画素Ｇを配し、偶数行奇数列には補正用の黒画素（図４６（Ａ））や白画素（図４６（Ｂ））や緑色画素（図示せず）を配する。

また、単位画素マトリクス１２の列方向の奇数番目においては、行方向の奇数番目の単位画素マトリクス１２における奇数行偶数列に可視光領域の青色成分を感知するためのカラー画素Ｂを配し、行方向の偶数番目の単位画素マトリクス１２における奇数行偶数列に可視光領域の赤色成分を感知するためのカラー画素Ｒを配する。単位画素マトリクス１２の列方向の偶数番目においては、カラー画素Ｂとカラー画素Ｒの配置を逆にする。全体としては、色フィルタ１４の繰返しサイクルは、２×２の単位画素マトリクス１２で完結することになる。

この図４６に示すような配置形態の場合、可視光の原色系ＲＧＢ画素の内の１つの画素Ｇとその他の色画素の正方形を互い違い並べた市松模様の配置態様を採用しており、可視光カラー画像における解像度に大きく寄与するカラー画素Ｇの配置密度をベイヤー配列と同じにできるので、可視光カラー画像の解像度の低下はなくなる。

ただし、カラー画素Ｒとカラー画素Ｂの配置密度はベイヤー配列に対して１／２になるのでカラー分解能が低下する。しかしながら、色に関する人間の視感度は、緑Ｇに比べて赤Ｂや青Ｂは劣るので、大きな問題にはならないと考えてよい。一方、補正画素を利用した赤外光画像に関しては、補正画素の配置密度が、可視光領域の緑色成分を感知するためのカラー画素Ｇに対して１／２になるので、分解能は可視光カラー画像よりも劣る。

たとえば、図４７に示すような透過スペクトル特性を呈する黒色フィルタ１４BKを用いて、図４６（Ａ）に示すような配置態様で黒色補正画素を配した、図３１に示される層構造（可視光を受光する画素に対応する断面構造図は図３５）のＣＭＯＳ固体撮像素子（画素回路構成は図３１）を図３３の作製プロセス工程のようにして製造して実験をしてみたところ、３原色の可視光の高解像度カラー画像と、カラー画像よりは低解像度ではあるが比較的高解像度の赤外光の像を同時に撮像できることが分かった。

また、図４６（Ｂ）に示すような配置態様で白色画素を配した、図３７に示される層構造（可視光を受光する画素に対応する断面構造図は図３５）のＣＭＯＳ固体撮像素子（画素回路構成は図３１）を図３３の作製プロセス工程のようにして製造して実験をしてみたところ、３原色の可視光の高解像度カラー画像と、カラー画像よりは低解像度ではあるが比較的高解像度の赤外光と可視光とが混在した画像を同時に撮像でき、また３原色の可視光画素Ｒ，Ｇ，Ｂで検知される青、赤、緑の強度を減じることで、赤外光のみの画像を同時に撮像できることが分かった。

また、飽和しないように、全ての画素を短い時間で露光し電荷信号を読み出し、さらに短い時間で読み取った信号を２回以上積算することで、大きい信号に変換することができ、暗い環境下で撮像しても、また明るい環境下で撮像しても、適切な感度が得られ、ダイナミックレンジが広がることを確認した。

また、図４６（Ａ）に示すような黒色補正画素と多層膜を組み合わせた構造や図４６（Ｂ）に示すような白色画素と多層膜を組み合わせた構造は、ＣＭＯＳ固体撮像素子のみならず、図４３に示されるようなＣＣＤ構造に作製しても同様な効果が確認された。

また、赤外光画像の解像度低下を抑えるには、たとえば図４８に示すように、図４６に示す可視光領域の緑色成分を感知するためのカラー画素Ｇと、補正用の黒画素（図４８（Ａ））や白画素（図４８（Ｂ））や緑色画素（図示せず）の配置を入れ替えるとよい。この場合、補正画素としての赤外光の画素とその他の色画素の正方形を互い違い並べた市松模様の配置態様を採用しており、補正画素の配置密度をベイヤー配列の場合と同じにできるので、赤外光画像の解像度の低下はなくなる。ただし、可視光カラー画像における解像度に大きく寄与するカラー画素Ｇの配置密度は、補正画素に対して１／２になるので、可視光カラー画像は、赤外光画像の分解能よりも劣る。カラー分解能に関しては、図４６の場合と同様である。

たとえば、図４７に示すような透過スペクトル特性を呈する黒色フィルタ１４BKを用いて、図４８（Ａ）に示すような配置態様で黒色補正画素を配したＣＣＤ固体撮像素子（画素回路構成は図２９、可視光を受光する画素に対応する断面構造図は図４３）を製造して実験をしてみたところ、高解像度の赤外光画像と、赤外光画像よりは低解像度ではあるが比較的高解像度の可視光カラー画像を同時に撮像できることが分かった。

また、図４６（Ｂ）に示すような配置態様で白色画素を配したＣＣＤ固体撮像素子（画素回路構成は図２９、可視光を受光する画素に対応する断面構造図は図４３）を製造して実験をしてみたところ、高解像度の赤外光と可視光とが混在した画像を同時に撮像でき、また３原色の可視光画素Ｒ，Ｇ，Ｂで検知される青、赤、緑の強度を減じることで高解像度の赤外光のみの画像を撮像でき、同時に、赤外光画像よりは低解像度ではあるが比較的高解像度の可視光カラー画像を撮像できることが分かった。

何れも、赤外光カットフィルタを使用しなくても、赤外光のある環境下で撮像しても色再現がよく、また白色画素を配した構成の場合には、白色画素から得られる可視光成分を使って、３原色の可視光画素に基づき得られる輝度信号に補正を加えることで、さらに色再現性とは独立して、可視光カラー画像の高感度化を図ることができることも確かめられた。

また、飽和しないように、白画素のみをオーバーフローを用いて短い時間で電荷を読み出し、さらに短い時間で読み取った信号を２回以上積算することで、大きい信号に変換することができ、暗い環境下で撮像しても、また明るい環境下で撮像しても、適切な感度が得られ、ダイナミックレンジが広がることを確認した。

また、図４８（Ａ）に示すような黒色補正画素と多層膜を組み合わせた構造や図４８（Ｂ）に示すような白色画素と多層膜を組み合わせた構造は、ＣＣＤ固体撮像素子のみならず、ＣＭＯＳ固体撮像素子構造で作製しても同様な効果が確認された。

図４９は、可視光カラー画像とは独立に赤外光画像を取得するための画素を設ける場合における他の画素配列を説明する図である。この変形態様は、赤外光画像取得用の画素に配する色フィルタの色を複数組み合わせる点に特徴を有する。たとえば、図４９に示す例では、第１具体例と第２具体例とを組み合わせており、赤外光画像取得用の画素として黒色フィルタ１４BKと白色フィルタ１４Ｗとを単位画素マトリクス１２に対して交互に配している。ここで、図４９（Ａ）は図４１と図４４との組合せ、図４９（Ｂ）は図４６（Ａ），（Ｂ）の組合せ、図４９（Ｃ）は図４８（Ａ），（Ｂ）の組合せである。

このような組合せの配置態様とすることで、たとえば白色画素１２Ｗは主に高感度化のために使用し、黒色画素１２BKは通常の照度や高照度時のために使用することができる。また、両者の出力を合成することで、低照度レベルから高照度レベルまでの再現域を持つようにでき、ダイナミックレンジの拡大を図ることもできる。

＜補色フィルタへの適用例＞
また、ＣｙＭｇＹｅ補色フィルタを用いつつ可視光カラー画像の解像度低下を抑えるには、可視光領域のＭｇの画素の配置密度を維持し、可視光領域の残りのＲもしくはＢの画素を、赤外光画像取得用の黒画素や白画素や緑色画素に置き換えるとよい。たとえば図５０に示すように、２行２列の単位画素マトリクス１２内において、先ず、奇数行奇数列および偶数行偶数列に可視光領域のマゼンタ色成分を感知するためのカラー画素Ｍｇを配し、偶数行奇数列には赤外光画像取得用の黒画素（図５０（Ａ））や白画素（図５０（Ｂ））やマゼンタ色画素（図示せず）を配する。なお、マゼンタ色Ｍｇの内の一方を緑色Ｇに置き換えることもできる。

この場合、可視光の補色系ＣｙＭｇＹｅ画素の内の１つの画素Ｍｇとその他の色画素の正方形を互い違い並べた市松模様の配置態様を採用しており、可視光カラー画像における解像度に大きく寄与するカラー画素Ｍｇの配置密度をベイヤー配列と同じにできるので、可視光カラー画像の解像度の低下はなくなる。

なお、カラー画素Ｃｙとカラー画素Ｙｅの配置密度はカラー画素Ｍｇの配列に対して１／２になるのでカラー分解能が低下するが、色に関する人間の視感度は低く大きな問題にはならないと考えてよい。また、補正画素を利用した赤外光画像に関しては、補正画素（赤外光画素）の配置密度が、可視光領域のマゼンタ色成分を感知するためのカラー画素Ｍｇに対して１／２になるので、分解能は可視光カラー画像よりも劣る。

また、赤外光画像の解像度低下を抑えるには、たとえば図５１に示すように、可視光領域のマゼンタ色成分を感知するためのカラー画素Ｍｇと、赤外光画像取得用の黒画素（図５１（Ａ））や白画素（図５１（Ａ））やマゼンタ色画素（図示せず）の配置を入れ替えるとよい。この場合、補正画素としての赤外光の画素とその他の色画素の正方形を互い違い並べた市松模様の配置態様を採用しており、補正画素の配置密度をベイヤー配列の場合と同じにできるので、赤外光画像の解像度の低下はなくなる。ただし、可視光カラー画像における解像度に大きく寄与するカラー画素Ｍｇの配置密度は、補正画素に対して１／２になるので、可視光カラー画像は、赤外光画像の分解能よりも劣る。カラー分解能に関しては、図５０の場合と同様である。

なお、解像度低下を抑えるための上記の配置態様例では、緑色Ｇまたはマゼンタ色Ｍｇの画素をできるだけ高密度でモザイク模様（定型例としての市松模様）となるように配置していたが、その他の色（Ｒ，ＢまたはＣｙ，Ｙｅ）の画素を市松模様となるように配置しても、ほぼ同様の効果を得ることができる。もちろん、解像度や色分解能を高める上では、視感度の高い色成分のフィルタをできるだけ高密度でモザイク模様となるように配置するのが好ましい。

＜斜め配置への適用例＞
なお、上記例では、正方格子状に色フィルタを配置する事例を説明したが、斜め格子状に配列することもできる。たとえば、図５２（Ａ）に示す配置態様は、図４６（Ｂ）に示す配置態様を、右回りに略４５度だけ回転させた状態の画素配列になっている。また図５２（Ｂ）に示す配置態様は、図４８（Ｂ）に示す配置態様を、右回りに略４５度だけ回転させた状態の画素配列になっている。このように、斜め格子状に配列すると、垂直方向と水平方向の各画素密度が増すことになり、その方向での解像度をさらに高くすることができるのである。

以上、本発明を実施形態を用いて説明したが、本発明の技術的範囲は上記実施形態に記載の範囲には限定されない。発明の要旨を逸脱しない範囲で上記実施形態に多様な変更または改良を加えることができ、そのような変更または改良を加えた形態も本発明の技術的範囲に含まれる。

また、上記の実施形態は、クレーム（請求項）にかかる発明を限定するものではなく、また実施形態の中で説明されている特徴の組合せの全てが発明の解決手段に必須であるとは限らない。前述した実施形態には種々の段階の発明が含まれており、開示される複数の構成要件における適宜の組合せにより種々の発明を抽出できる。実施形態に示される全構成要件から幾つかの構成要件が削除されても、効果が得られる限りにおいて、この幾つかの構成要件が削除された構成が発明として抽出され得る。

上記で説明した構造は、本発明の一実施形態を示したものであり、上記で説明したように、隣接する層間で屈折率が異なり所定の厚みを持つ層を複数積層した構造を有し、電磁波の内の所定の波長領域成分を反射させ残りを通過させる特性を持った積層部材（誘電体積層膜）を用いて波長分別可能にするのは、他の同様な構造でも可能である。

さらに上述の技術は必ずしも可視光と赤外光の分光に限った技術ではない。たとえば、可視光と紫外光の分光や検知も可能となり、可視光とともに紫外光も同時に検出してイメージ化できる。また、同時に検出する可視光については、分光せずにモノクロ画像を検知することに限らず、上述のようにして色別の色フィルタを用いて可視光帯内をたとえば３原色成分に分光することでカラー画像を検知することもできる。

これにより、眼で見ることができる可視光のイメージ像（モノクロ画像あるいはカラー画像）と対応して、眼で見ることのできない紫外光の像情報を同時に取得することができる。これによって光合成監視カメラなどの新しい情報システムのキーデバイスとして応用が広がる。

たとえば、可視光VLを反射波長領域成分とし、通過波長領域成分を可視光VLよりも低波長側（たとえば紫外光）とする誘電体積層膜１を利用することで、可視光VLと可視光VLよりも低波長側（たとえば紫外光）の分光や検知も可能となる。

たとえば、図示を割愛するが、図４１において、単位画素マトリクス１２をなす周期配列の４画素の内、１つの画素１２IR上には可視光VL以上の波長成分を反射する誘電体積層膜１を形成することで、可視光VLよりも低波長側（紫外光）のみを受光し、他の３つの画素１２Ｂ，１２Ｇ，１２Ｒ上には誘電体積層膜１を形成せず、色フィルタ１４（１４Ｒ，１４Ｂ，１４Ｂ）を設けることで、可視光VLの内の対応する青色Ｂ、緑色Ｇ、および赤色Ｒの３原色を低波長側（紫外光）とともに受光するようにする。

通過波長領域成分の影響をほぼ全く受けない反射波長領域成分としての可視光VLの信号を得るに際しては、通過波長領域成分である紫外光成分との間での演算処理を行なえばよい。なお、色フィルタ１４（１４Ｒ，１４Ｂ，１４Ｂ）の特性として、通過波長領域成分である紫外光成分に対する透過率が略ゼロであるものを使用すれば、可視光VLよりも低波長側（紫外光）の成分が色フィルタ１４（１４Ｒ，１４Ｂ，１４Ｂ）によってかっとされるので、この演算処理が不要になる。

誘電体積層膜を利用して電磁波を所定波長ごとに分光する分波イメージセンサの概念を説明する図である。 誘電体積層膜を利用した分波イメージセンサの基本構成を説明する概念図である。 図２に示した分光イメージセンサの基本構成を複数の波長分離構成に適用した構成例を示す図である。 積層膜を設計する手法の基本概念を説明する構造図である。 積層膜を設計する手法の基本概念を説明する反射スペクトル図である。 積層膜を設計する手法の基本概念を説明する反射スペクトル図である。 反射中心波長λの条件を説明する図（反射スペクトルの概念を示した図）である。 反射中心波長λの条件を説明する反射スペクトル図である。 反射中心波長λの条件を説明する反射スペクトル図である。 積層膜を利用した単波長分波対応の分光イメージセンサの第１実施形態を説明する構造図である。 積層膜を利用した単波長分波対応の分光イメージセンサの第１実施形態を説明する反射スペクトル図である。 積層膜を利用した単波長分波対応の分光イメージセンサの第１実施形態を説明する図（反射スペクトル図；詳細）である。 積層膜を利用した単波長分波対応の分光イメージセンサの第１実施形態を説明する構造図である。 積層膜を利用した単波長分波対応の分光イメージセンサの第１実施形態を説明する反射スペクトル図である。 積層膜を利用した単波長分波対応の分光イメージセンサの第２実施形態を説明する構造図である。 積層膜を利用した単波長分波対応の分光イメージセンサの第２実施形態を説明する反射スペクトル図である。 積層膜を利用した単波長分波対応の分光イメージセンサの第２実施形態を説明する構造図である。 積層膜を利用した単波長分波対応の分光イメージセンサの第２実施形態を説明する反射スペクトル図である。 積層膜を利用した単波長分波対応の分光イメージセンサの第３実施形態を説明する構造図である。 積層膜を利用した単波長分波対応の分光イメージセンサの第３実施形態を説明する反射スペクトル図である。 積層膜を利用した単波長分波対応の分光イメージセンサの第３実施形態を説明する構造図である。 積層膜を利用した単波長分波対応の分光イメージセンサの第３実施形態を説明する反射スペクトル図である。 積層膜を利用した単波長分波対応の分光イメージセンサの第３実施形態を説明する構造図である。 積層膜を利用した単波長分波対応の分光イメージセンサの第３実施形態を説明する反射スペクトル図である。 積層膜を利用した単波長分波対応の分光イメージセンサの第４実施形態を説明する構造図である。 積層膜を利用した単波長分波対応の分光イメージセンサの第４実施形態を説明する反射スペクトル図である。 積層膜を利用した単波長分波対応の分光イメージセンサの第５実施形態を説明する構造図である。 積層膜を利用した単波長分波対応の分光イメージセンサの第５実施形態を説明する反射スペクトル図である。 積層膜をＩＴ＿ＣＣＤイメージセンサに適用した場合の回路図（Ｒ，Ｇ，Ｂ，赤外光IR対応）である。 積層膜をＩＴ＿ＣＣＤイメージセンサに適用した場合の回路図（可視光VL、赤外光IR対応）である。 積層膜をＣＭＯＳ固体撮像素子に適用した場合の回路図（Ｒ，Ｇ，Ｂ，赤外光IR対応）である。 積層膜をＣＭＯＳ固体撮像素子に適用した場合の回路図（可視光VL、赤外光IR対応）である。 分光イメージセンサを製造するプロセス例を示す図である。 積層膜を利用した単波長分波対応の分光イメージセンサの第６実施形態を説明する構造図である。 積層膜を利用した単波長分波対応の分光イメージセンサの第６実施形態を説明する構造図である。 積層膜を利用した単波長分波対応の分光イメージセンサの第６実施形態を説明する構造図である。 積層膜を利用した単波長分波対応の分光イメージセンサの第６実施形態を説明する構造図である。 積層膜を利用した単波長分波対応の分光イメージセンサの第６実施形態を説明する図である。 積層膜を利用した単波長分波対応の分光イメージセンサの第６実施形態を説明する反射スペクトル図である。 積層膜を利用した単波長分波対応の分光イメージセンサの第６実施形態を説明する反射スペクトル図である。 色分離フィルタの第１具体例の配置を示す図である。 図４１に示した色分離フィルタの配置を持つＣＣＤ固体撮像素子の構成例を説明する図（斜視図）である。 赤外光と可視光の２つの波長成分を、同時に像として別々に撮像できるようにしたＣＣＤ固体撮像素子の構成例を説明する図（断面構造図）である。 色分離フィルタの第２具体例の配置を示す図である。 図４４に示した色分離フィルタの配置を持つＣＣＤ固体撮像素子の構成例を説明する図（斜視図）である。 解像度低下を考慮した画素配列を説明する図（その１）である。 黒色フィルタの透過スペクトル特性の一例を示す図である。 解像度低下を考慮した画素配列を説明する図（その２）である。 解像度低下を考慮した画素配列を説明する図（その３）である。 解像度低下を考慮した画素配列を説明する図（その４）である。 解像度低下を考慮した画素配列を説明する図（その５）である。 解像度低下を考慮した画素配列を説明する図（その６）である。 特許文献１に記載のセンサの仕組みを説明する図である。

符号の説明

１…誘電体積層膜、１０…分光フィルタ、１１…分光イメージセンサ、１２…単位画素マトリクス、１００…撮像装置、１０１…ＣＣＤ固体撮像素子、１２２…垂直転送ＣＣＤ、１２４…読出ゲート、１２６…水平転送ＣＣＤ、１２８…出力アンプ、１４０…画像信号処理部、１４２…画像切替制御部、１４６…駆動制御部、２０１…ＣＭＯＳ固体撮像素子、２０５…画素内アンプ、２０７…駆動制御部、２１９…垂直信号線、２２６…カラム処理部

Claims (6)

1. 電磁波を検知する第１検知部と、
   前記第１検知部で検知された電磁波量に基づいて対応する単位信号を生成して出力する第１単位信号生成部と、
   前記第１検知部の前記電磁波が入射する入射面側に配置され、前記電磁波の所定の波長領域成分を反射する積層部材と、を含む第１の単位構成要素と、
   電磁波を検知する第２検知部と、
   前記第２検知部で検知された電磁波量に基づいて対応する単位信号を生成して出力する第２単位信号生成部と、を含み、前記電磁波の所定の波長領域成分を反射する前記積層部材を備えていない第２の単位構成要素と、を備え、
   前記積層部材は、所定の厚みを有し、隣接する層間同士で異なる屈折率を有する複数の層から構成され、
   前記電磁波が前記積層部材において、前記積層部材を通過する通過波長領域成分と、前記積層部材で反射される反射波長領域成分とに分離され、
   前記通過波長領域成分から生成される前記単位信号に基づき、第１の物理情報を取得する第１信号処理部と、
   前記通過波長領域成分と前記反射波長領域成分から生成される前記単位信号に基づき、第２の物理情報を取得する第２信号処理部と、
   前記第１の物理情報若しくは前記第２の物理情報の何れか一方を選択して出力する、又は、双方を同時に出力するように前記信号処理部を制御する信号切替制御部と、
   前記第１検知部の前記電磁波が入射する入射面側に、波長領域成分内を所定の波長領域成分に分離する第１光学部材と、
   前記第２検知部の前記電磁波が入射する入射面側に、波長領域成分内を所定の波長領域成分に分離する第２光学部材と、
   前記第１単位信号生成部から前記単位信号を読み出すための信号線となる配線層と、
   前記第２検知部の検知時間を制御する駆動部と、を備え、
   前記積層部材を構成する第ｊ番目の層の部材は、屈折率をｎｊ、厚みをｄｊ、前記反射波長領域成分の中心波長をλ０としたとき、下記の条件式（Ａ）を満たし、かつ、前記反射波長領域成分の中心波長λ０は、下記の条件式（Ｂ）を満たし、
   ０．９×λ０／４ｎ≦ｄｊ≦１．１×λ０／４ｎ …（Ａ）
   ７８０ｎｍ≦λ０≦１１００ｎｍ …（Ｂ）
   前記積層部材において前記検知部側に形成されているγ層の部材は、屈折率をｎγ、厚みをｄγ、前記通過波長領域λ１を下記の条件式（Ｃ１）としたとき、下記の条件式（Ｃ２）を満たし、
   ３８０ｎｍ≦λ１≦７８０ｎｍ …（Ｃ１）
   ４７ｎｍ≦ｄγ≦９６ｎｍ …（Ｃ２）
   前記積層部材は、前記配線層上に形成され、
   前記検知部と前記積層部材とが一体的に構成されている
   物理情報取得装置。
2. 前記第１検知部と前記第２検知部とが、一定の数比を持って周期的に配されている請求項１に記載の物理情報取得装置。
3. 複数の前記第１検知部に対して１つの前記第２検知部が配されている請求項１に記載の物理情報取得装置。
4. 前記第１検知部と前記第２検知部とが１対１に配されている請求項１に記載の物理情報取得装置。
5. 前記第１検知部が、前記通過波長領域をさらに波長分離して検知する複数の検知要素から構成され、前記検知要素と前記第２検知部とが２次元格子状に配置され、かつ、前記検知要素が前記第１検知部において市松模様に配置されている請求項１に記載の物理情報取得装置。
6. 半導体基板上に第１検知部と第１単位信号生成部とを含む第１の単位構成要素、及び、第２検知部と第２単位信号生成部とを含む第２の単位構成要素を有する半導体素子層を形成する工程と
   前記半導体素子層の前記第１の単位構成要素上に前記第１単位信号生成部から前記単位信号を読み出すための信号線となる配線層を形成する工程と、
   前記配線層上に、隣接する層間で屈折率が異なるように所定の厚みを持つ層を積層し、前記第１検知部に入射する電磁波の所定の波長領域成分を反射する積層部材を形成する工程と、を有し、
   前記積層部材を形成する工程において、前記積層部材を構成する第ｊ番目の層の部材の屈折率をｎｊ、厚みをｄｊ、前記反射波長領域成分の中心波長をλ０としたとき、下記の条件式（Ａ）を満たし、かつ、前記反射波長領域成分の中心波長λ０は、下記の条件式（Ｂ）を満たすように前記積層部材を形成し、
   ０．９×λ０／４ｎ≦ｄｊ≦１．１×λ０／４ｎ …（Ａ）
   ７８０ｎｍ≦λ０≦１１００ｎｍ …（Ｂ）
   前記積層部材において前記検知部側に形成されているγ層の部材の屈折率をｎγ、厚みをｄγ、前記通過波長領域λ１を下記の条件式（Ｃ１）としたとき、下記の条件式（Ｃ２）を満たすように前記積層部材を形成する
   ３８０ｎｍ≦λ１≦７８０ｎｍ …（Ｃ１）
   ４７ｎｍ≦ｄγ≦９６ｎｍ …（Ｃ２）
   半導体装置の製造方法。